JP7493992B2

JP7493992B2 - 光受信装置

Info

Publication number: JP7493992B2
Application number: JP2020076430A
Authority: JP
Inventors: 信孝渡部; 史隆平子; 貴雄井上; 慎也三宅; 直行筑間
Original assignee: 三和テクノロジーズ株式会社
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2024-06-03
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: JP2021175062A

Description

本発明は、光通信に適用するシステムの光受信装置に係り、特にコア径９８０μｍ前後の大口径プラスチック光ファイバを伝送媒体として適用するシステムにおいて、伝送速度１Ｇｂｐｓを超える高速光信号を電気信号に変換する装置に関する。

従来の光受信装置を図６に示す。１Ｇｂｐｓを超える伝送速度を実現する光受信装置は、伝送速度に対して十分余裕のある広帯域の受光素子９とトランスインピーダンス型増幅回路１０、リミッタアンプ１４から構成される。そして、従来の光受信装置に搭載される受光素子９には、使用されるＬＤ光源の波長８５０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍに合わせてＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓのピンフォトダイオード（Ｐｉｎ－ＰＤ）が採用される。いずれの材料の場合も、ジャンクション容量Ｃｊとパッケージに寄生する寄生容量Ｃｓを合わせたトータル容量を１ｐＦ以下にするために、受光径を５０μｍから８０μｍまで小受光径化して所望帯域を確保している。

さらに詳述すると、前記ピンフォトダイオード（Ｐｉｎ－ＰＤ）の帯域は、ジャンクション容量Ｃｊとパッケージに起因する寄生容量Ｃｓの和で制限されるとともに、前記ジャンクション容量Ｃｊは、受光エリアの面積に比例して変化する。そこで受光径を小さくすると、ジャンクション容量Ｃｊが小さくなり、結果として広帯域の特性が得られる。一方で、従来１Ｇｂｐｓを超える受信装置で適用されてきた光ファイバは、コア径５０μｍのマルチモード光ファイバ、コア径１０μｍのシングルモード光ファイバが一般的に採用されている。コア径５０μｍの光ファイバから出射した光は、出射端でほぼ５０μｍのビーム径になっており、これを受光素子に結合する際、従来は像倍率１対１になるようなレンズ系を採用しているのが一般的である。従って、受光素子の受光面上に結合した時のビーム径が５０μｍになり、入射光の全てが受光領域に収まることになる。８０μｍの場合は、さらに余裕をもって結合できることになるが、受光径が大きい分だけジャンクション容量Ｃｊが大きくなり、帯域特性としては５０μｍよりも劣ることになる。

さらに、従来の光受信装置に搭載されるトランスインピーダンス型増幅回路１０は、受光素子９のジャンクション容量Ｃｊ＋寄生容量Ｃｓを考慮して、必要なトランスインピーダンス利得、帯域特性、雑音特性を最適化したものとなっている。

上述の通り、１Ｇｂｓを超える光伝送システムでは、伝送媒体として石英コアでコア径５０μｍのマルチモード光ファイバ、あるいは、コア径１０μｍのシングルモード光ファイバを採用することが一般的である。この場合は、各光ファイバから出射された光を受光素子９に結合する際、レンズの像倍率を約１対１に設定する簡便なレンズ系であれば前記受光素子９の受光径内に収めることが可能で、過剰な結合損失が発生しないように光結合系が設計されている。また、従来の光受信装置では、コストの安いボールレンズをＴＯ－ＣＡＮパッケージの封止ガラス窓と一体にしたものが広く用いられている。

最近、光を通信に適用するシステムは、公衆網を支える光通信システムから、耐ノイズ性、高帯域性が必要な用途へと広がっている。特に、工場内の自動化に不可欠なロボットの制御を行うコンピュータ数値制御、サーボポンプ、プログラマブルコントローラには、以前から耐ノイズ性を重視して、光を制御信号の伝送に適用するシステムが普及している。

従来、この種のシステムでは、伝送速度が１５０Ｍｂｐｓ程度で十分であったことから、コア径９８０μｍのアクリル樹脂系のステップインデックス型プラスチック光ファイバが広く採用されてきた。ところが、このアクリル樹脂系のプラスチック光ファイバは、コア径が大きいために接続が容易である反面、帯域が５ＭＨｚ・ｋｍ程度と狭いため、１５０Ｍｂｐｓの信号を伝送するには２０ｍ程度では帯域制限の影響を受け信号伝送ができなくなるおそれがあった。

そこで、工場内において１００ｍ程度まで伝送する必要がある場合は、石英コアとプラスチッククラッドから構成されるコア径２００μｍのステップインデックス型（ＳＩ）かグレーデッドインデックス型（ＧＩ）のハードプラスチッククラッド光ファイバが採用されていた。

さらに、従来の光受信装置は、光源の波長６５０ｎｍ帯に合わせてシリコンピンフォトダイオードが受光素子９として採用されるとともに、伝送速度１５０Ｍｂｐｓで十分必要な帯域特性を確保できる受光素子９として受光径が５００～６００μｍのシリコンピンフォトダイオードが採用されている。

特になし

ところで、近年、工場内のＩｏＴ化の進展は、日覚ましいものがあり、ロボットの制御も、生産工程ごとに独立した形態からフィールドネットワークで接続される形態に進化し、かつ各種センサーを配備して、ロボットの稼働状態のモニター、故障検知等をリアルタイムで実施する形態に進化している。

このようにフィールドネットワークを流れる情報量が増大するため、当該フィールドネットワークの高速化が求められており、従来１５０Ｍｂｐｓ程度であった信号速度が１Ｇｂｐｓを超える伝送速度に拡大することが望まれている。一方で、従来装置との混在が必須となるため、従来のコア径９８０μｍのプラスチック光ファイバを採用した１５０Ｍｂｐｓのシステムとの相互通信の実現も不可欠の要求になっている。

コンピュータ数値制御、サーボアンプ、プログラマブルコントローラ等に広く採用されている光送受信装置は、波長６５０ｎｍ帯のＬＥＤ光源とシリコンピンフォトダイオードの受光素子を搭載し、それぞれＬＥＤを駆動するＬＳＩと受光回路のＬＳＩを搭載して構成される。

また、従来の光送受信装置は、伝送媒体としてコア径９８０μｍのプラスチック光ファイバ、あるいは、コア径２００μｍのステップインデックス型（ＳＩ）およびグレーデッドインデックス型（ＧＩ）のハードプラスチッククラッド光ファイバと組み合わせて使用される。コア径９８０μｍのプラスチック光ファイバ、コア径２００μｍのステップインデックス型およびグレーデッドインデックス型のハードプラスチッククラッド光ファイバを前提にしたフィールドネットワークに従来の１Ｇｂｐｓ超の光受信装置を入れて対向した場合、受光素子としてＩｎＧａＡｓ系のピンフォトダイオード（ＰＩＮ－ＰＤ）を搭載した光受信装置は、６５０ｎｍ帯で受光感度がほとんどないため使用できない。一方、ＧａＡｓ系のピンフォトダイオード（Ｐｉｎ－ＰＤ）を搭載した光受信装置は、Ｓｉ系のピンフォトダイオード（Ｐｉｎ－ＰＤ）搭載の受信装置に比べて６５０ｎｍ帯における受光感度が劣るのと同時に、受光径が５０μｍ、像倍率が約１対１の結合系のために、入射光のほとんどが受光領域から外れてしまい、光結合系で１０から２０ｄＢ程度の過剰損が発生し最少受信レベルを下回り、光受信装置として正常に動作しないという問題があった。

すなわち、従来、ＦＡ機器用のフィールドネットワークで採用されてきた光ファイバは、コア径９８０μｍのプラスチック光ファイバ、あるいは、コア径２００μｍのステップインデックス型（ＳＩ）かグレーデッドインデックス型（ＧＩ）のハードプラスチッククラッド光ファイバであり、コア径５０μｍ、あるいは、コア径１０μｍの光ファイバの使用を前提にして像倍率１対１の結合系とした受光モジュールにコア径９８０μｍ、コア径２００μｍの光ファイバから光を入力した場合、レンズの入射端で光ファイバの出射光をすべてレンズの開口数ＮＡ（ニュウーメリカルアパーチャー：ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）内に入れることができないために過剰損が発生する。同時に像倍率が１対１であるため、受光面上のビーム径が９８０μｍ、２００μｍと受光領域を外れてしまうことになり、このため大きな過剰損失が発生することになる。つまり、９８０μｍ、あるいは、２００μｍの円形ビームを５０μｍの受光領域で受けることになるため、ほとんどの信号光が受光領域外に出てしまうことになる。

そこで、本発明は、上述のような従来存した諸事情に鑑み案出されたもので、従来の６５０ｎｍ帯光源を搭載した光送信装置と対向し動作速度１５０Ｍｂｐｓ以下で相互に通信が可能であり、前記光送信装置の光出力信号をコア径９８０μｍのプラスチック光ファイバ、あるいはコア径２００μｍのステップインデックス型（ＳＩ）およびグレーデッドインデックス型（ＧＩ）のハードプラスチッククラッド光ファイバで通信が可能となる光受信装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明にあっては、入力した光信号を電気信号に変換する受光素子と該受光素子から出力したフォトカレントを低雑音で電圧信号に変換、増幅するトランスインピーダンス型増幅回路と該トランスインピーダンス型増幅回路の出力を増幅し、所定のレベルで信号の０レベル、１レベルを識別する機能を有したリミッタアンプにより構成される光受信装置であって、前記受光素子は、パッケージに前記トランスインピーダンス型増幅回路のチップと共に搭載され、レンズバレルを備えた受光モジュールを構成し、コア径９８０μｍ前後の光ファイバから入力した光信号を電気信号に変換する機能を有することを特徴とする。

前記受光素子は、コア径９８０μｍ前後の光ファイバから入力された速度１Ｇｂｐｓ以上の光信号を入力しても必要な帯域が確保できるように最適化された有効受光エリア及び結合漏れ光の遮光マスクを具備することを特徴とする。

前記受光モジュールを構成するレンズバレルは、光ファイバを挿入するスリーブと非球面レンズを具備し、前記非球面レンズは、コア径９８０μｍ前後の光ファイバから入力した信号を結合損失２から４ｄＢ程度を許容するように最適化したものであり、前記レンズバレルをＴＯ－ＣＡＮパッケージに無調芯で接着固定することを特徴とする。

前記レンズバレルは、コア径２００μｍ以下の光ファイバを介して光信号を入力した場合は、結合損失がほぼゼロとなるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、光受信装置１８では、伝送媒体をコア径９８０μｍのプラスチック光ファイバ７、コア径２００μｍのステップインデックス型（ＳＩ）およびグレーデッドインデックス型（ＧＩ）のハードプラスチッククラッド光ファイバのいずれの場合においても、１Ｇｂｐｓを超える動作速度において、安定した受信機能を実現することができる。同時に、従来のＦＡ機器で広く適用されている６５０ｎｍ帯ＬＥＤを光源とする光送信器と対向させた場合においても安定な伝送特性を保証でき、既存ＦＡシステムの更新においても有効な通信手段を提供することができる。

（ａ）は本発明を実施するための一形態を示す光受信装置の全体説明図、（ｂ）は同正面図である。規格化受信帯域と最小受信感度の関係を示す図である。受光素子の容量と受信回路の３ｄＢ低下帯域の関係を示す図である。受光径と容量の関係を示す図である。受光素子の容量と最小受信感度を示す図である。従来例の光受信装置を示す全体説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の一形態による光受信装置を詳細に説明する。
本実施形態においは、図１に示すように、光受信装置１８は、コア径９８０μｍのプラスチック光ファイバ７、あるいはコア径２００μｍのステップインデックス型（ＳＩ）およびグレーデッドインデックス型（ＧＩ）のハードプラスチッククラッド光ファイバ８を介して受光モジュール５に入力した光信号が、レンズバレル１７を介して受光素子１に結合される。この受光素子１は、後述する最適化された有効受光エリア１Ａ、及びその外周部に配置された、樹脂もしくは金属による遮光マスク１Ｂを具備している。受光素子１で光電気変換されたフォトカレントは、トランスインピーダンス型増幅回路２で増幅されて、後段に接続されたリミッタアンプ６に入力されるとともに、該リミッタアンプ６の内部で増幅された信号は、リミッタアンプ６が具備する識別機能で入力したデジタル信号の０レベル、１レベルを判定して出力される。本実施例では、トランスインピーダンス型増幅回路２とリミッタアンプ６の間をＡＣ結合としたが、両回路を１チップに集積してＤＣ結合とすることも可能である。

図２は、信号速度で規格化した受信帯域と最小受信感度（Ｐｒ）の関係を模式的に表したグラフである。一般に最小受信感度は（Ｐｒ）、雑音と帯域との関係で最適な値が求められる。通常は、符号間干渉と信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）がバランスする点として信号速度Ｂの０．７５倍前後に受信帯域を設定する。受信帯域がこれよりも少ない場合は信号対雑音比Ｓ／Ｎは改善するが、受信帯域不足による符号間干渉が支配要因となり最小受信感度が劣化する。逆に受信帯域が０．７５×Ｂよりも広い場合は、信号対雑音比Ｓ／Ｎが劣化して最小受信感度が劣化する。

すなわち、受信回路の帯域を下げるとパルスの「１」が上がりきらないし、「０」が下がりきらないというような応答特性になる。因みに、このとき、振幅方向にアイパターンの開口が狭くなることを、一般的に符号間干渉と呼ぶ。一方、受信回路の帯域を延ばすと、広帯域に渡る雑音成分が信号に重畳されることになり、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を落として受信感度を劣化させる要因になる。
上記要因による受信感度の劣化を模式的に示したものが、図２になる。０．７５×Ｂよりも受信帯域が狭い場合は、符号間干渉が支配要因になって受信感度が劣化し、逆に０．７５×Ｂよりも受信帯域が広い場合は、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）劣化が支配要因になって受信感度が劣化する。図２のペナルティーが一番少ない点が、両者がバランスした最適な受信帯域ということになり、一般的に信号速度の０．７５倍とされている。

従来、１Ｇｂｐｓ以上の光通信装置に適用してきた光受信回路は、適用する光ファイバが、短距離用途の場合はコア径５０μｍのマルチモード光ファイバ（石英コア）が用いられ、長距離用途の場合はコア径１０μｍのシングルモード光ファイバ(、石英コア)が用いられている。

図６に示すように、従来の光受信装置１９では、受信帯域を上述の０．７５×Ｂ前後に最適化するために、受光素子９の受光径を５０μｍ～８０μｍと小さくして、受光素子９のジャンクション容量Ｃｊと受光素子パッケージに寄生する寄生容量Ｃｓを小さくすることで、所望の受信帯域が得られるように設計されている。

そして、前記従来の光受信装置１９に搭載される受光モジュール１３は、コア径５０μｍのマルチモード光ファイバと接続される形態が一番コア径の大きい光ファイバとの組み合わせとなるため、受光素子９に入力信号光を絞り込むためのレンズは、ボールレンズ１２を用いて像倍率を１前後に設定するのが一般的である。受光素子９の受光径が５０μｍから８０μｍであるため、受光領域にすべての入力光を結合することが可能となり、光結合系の過剰損失の発生をほぼゼロに抑えることができる構成となっている。

一方、図１に示す本実施形態の光受信装置１８は、伝送媒体である光ファイバとしてコア径９８０μｍのプラスチック光ファイバ７、あるいは、コア径２００μｍのステップインデックス型（ＳＩ）やグレーデッドインデックス型（ＧＩ）のハードプラスチッククラッド光ファイバ８を採用した場合において、伝送速度１Ｇｂｐｓを超える速度で安定動作することを狙っている。

受光素子１と該受光素子１で変換されたフォトカレントを電圧信号に変換するトランスインピーダンス型僧幅回路２を組みわせた光受信回路３の帯域は、前述した通り受光素子１のジャンクション容量Ｃｊと受光素子１のパッケージに寄生する寄生容量ＣｓとトランスインピーダンスＺｔによって決まる。トランスインピーダンスＺｔは、伝送速度と目標とする最小受信感度（Ｐｒ）から、これに最適な値になるように選定される。この時の光受信回路３の帯域は、（１/２）x｛ＧＢＷ/π（Ｃｊ＋Ｃｓ）Ｚｔ｝^1/2となる。ＧＢＷは、利得帯域幅積を示す。従って、光受信回路３の帯域を伸ばすには、トランスインピーダンスＺｔを下げるか、ジャンクション容量Ｃｊ＋寄生容量Ｃｓを小さくすることが有効となるが、トランスインピーダンスは、所望の受信感度を得るために必要な値が一義的に決まってしまうため、ジャンクション容量Ｃｊを小さくすることが必要になる。

図３に、１．２５Ｇｂｐｓで動作することを想定して設計した光受信回路において、トランスインピーダンスＺｔを一定にして、ジャンクション容量Ｃｊ＋寄生容量Ｃｓを変化した時の光受信回路の３ｄＢ低下帯域の変化を一例として示す。図中の黒丸で示す点が、一般的に受信帯域の最適点とされる信号速度の０．７５倍に相当する。図３からジャンクション容量Ｃｊ＋寄生容量Ｃｓが０．８ｐＦ程度が１．２５Ｇｂｐｓ動作において最適なジャンクション容量Ｃｊ＋寄生容量Ｃｓの値であることが判る。

一方、上記ジャンクション容量Ｃｊ＋寄生容量Ｃｓは、受光素子１の受光径を変えることで変化する。厳密には、受光素子１のパッケージに起因する寄生容量Ｃｓは、一定値であるが、ジャンクション容量Ｃｊは、受光素子１に印加する逆バイアスの値によって変化する。図４は、逆バイアスが十分印加されてジャンクション容量Ｃｊのバイアス依存性がほぼ飽和する点まで逆バイアスがかかった状態での変化を示している。

最小受信感度Ｐｒは、光受信回路３の帯域特性に大きく依存し、信号速度Ｂの０．７５倍以下の帯域になると、当該最小受信感度Ｐｒが劣化する。すなわち、前記したように受信帯域が狭くなると振幅方向でのアイパターンの開口が狭くなり、これが原因で受信感度が劣化することになる。

次に、信号速度１．２５ＧｂｐｓでトランスインピーダンスＺｔを一定にして種々のジャンクション容量Ｃｊ＋寄生容量Ｃｓに対して最小受信感度Ｐｒを測定した結果を図５に示す。ジャンクション容量Ｃｊ＋寄生容量Ｃｓが０．８ｐＦよりも大きくなり、光受信回路３の所要帯域０．７５×Ｂよりも下がると最小受信感度Ｐｒが劣化する。本実施例では、動作速度１．２５Ｇｂｐｓで最小受信感度Ｐｒが－２２ｄＢｍ程度の実現を目指した。

図５からジャンクション容量Ｃｊ＋寄生容量Ｃｓが１．４ｐＦから１．５ｐＦ程度で所望の最小受信感度Ｐｒが実現できることが判る。このジャンクション容量Ｃｊ＋寄生容量Ｃｓが１．５ｐＦは、図４に示すように、受光素子１の受光径で２６０μｍ前後に相当する。

コア径２００μｍのステップインデックス型（ＳＩ）やグレーデッドインデックス型（ＧＩ）のハードプラスチッククラッド光ファイバ８を介して受光モジュール５に入力した信号の光結合系に関わる過剰損失をほぼゼロに抑えるためには、ハードプラスチッククラッド光ファイバ８から受光モジュール５に入力した光信号の全てが受光径に収まるようにレンズの像倍率を約１倍とすれば良い。

すなわち、本実施例で記載した通り、受光径を２６０μｍ前後に設定すると、コア径２００μｍのステップインデックス型（ＳＩ）およびグレーデッドインデックス型（ＧＩ）のハードプラスチッククラッド光ファイバのファイバ出射端でのビーム径は、２００μｍになるので、レンズの開口数ＮＡ（ニューメリカルアパーチャー：ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）ですべての光をレンズ内に取り込み、像倍率を１対１に設定すれば、受光径２６０μｍよりも小さい２００μｍのビーム径として受光面上に結像することになる。この場合は、受光素子に入力する光信号の全てが受光面上に結合するため、過剰損失の発生はなくなる。

一方、コア径９８０μｍのプラススチック光ファイバ７と組み合わせた場合は、大きな過剰損失が発生することになる。本実施例では、従来例で一般的に採用されているボールレンズ１２からレンズバレル１７の非球面レンズ４に変えることにより、コア径２００μｍの光ファイバと組み合わせた時の過剰損失をほぼゼロに、コア径９８０μｍの光ファイバと組み合わせた時の過剰損失を２から４ｄＢとするように非球面レンズ４の最適化を行った。ちなみに、コア径９８０μｍのプラスチック光ファイバ７を介して接続した場合、前記非球面レンズ４を採用しても、全ての入力光が有効受光エリア内に入らないため、受光エリア外に漏れてしまい、その結果漏れ光が受光素子１の有効受光エリア外で光電気変換されると本来の非常に応答の遅い成分として電気信号に変換され、結果として雑音となる。

本発明では、高速動作を阻害する要因を排除するため、有効受光エリア１Ａの外周部に樹脂もしくは金属による遮光マスク１Ｂを設けて、これを防止する構成とした。これらにより動作速度１．２５Ｇｂｐｓにおいて、コア径２００μｍの光ファイバと組み合わせた時の最小受信感度を－２２ｄＢｍ、コア径９８０μｍの光ファイバと組み合わせた時の最小受信感度－１８ｄＢｍを実現した。

１受光素子
１Ａ有効受光エリア
１Ｂ遮光マスク
２トランスインピーダンス型増幅回路
３受光回路
４非球面レンズ
５受光モジュール
６リミッタアンプ
７プラスチック光ファイバ
８ステップインデックス型ハードプラスチッククラッド光ファイバ及び
グレーデッドインデックス型ハードプラスチッククラッド光ファイバ
９受光素子
１０トランスインピーダンス型増幅回路
１１受光回路
１２ボールレンズ
１３受光モジュール
１４リミッタアンプ
１５マルチモード光ファイバ
１６シングルモー光ドファイバ
１７レンズバレル
１８光受信装置
１９光受信装置

Claims

入力した光信号を電気信号に変換する受光素子と該受光素子から出力したフォトカレントを低雑音で電圧信号に変換、増幅するトランスインピーダンス型増幅回路と該トランスインピーダンス型増幅回路の出力を増幅し、所定のレベルで信号の０レベル、１レベルを識別する機能を有したリミッタアンプにより構成される光受信装置であって、前記受光素子は、パッケージに前記トランスインピーダンス型増幅回路のチップと共に搭載され、レンズバレルを備えた受光モジュールを構成し、前記受光モジュールを構成するレンズバレルは、光ファイバを挿入するスリーブと非球面レンズを具備し、前記非球面レンズは、コア径９８０μｍ前後の光ファイバから入力した信号を結合損失２から４ｄＢ程度を許容するように最適化したものであり、前記レンズバレルをＴＯ－ＣＡＮパッケージに無調芯で接着固定し、コア径９８０μｍ前後の光ファイバから入力した光信号を電気信号に変換する機能を有することを特徴とする光受信装置。
前記受光素子は、コア径９８０μｍ前後の光ファイバから入力された速度１Ｇｂｐｓ以上の光信号を入力しても必要な帯域が確保できるように最適化された有効受光エリア及び結合漏れ光の遮光マスクを具備することを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記レンズバレルは、コア径２００μｍ以下の光ファイバを介して光信号を入力した場合は、結合損失がほぼゼロとなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。