JPH04225630A - 広ダイナミックレンジ光受信器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光通信一般に用いら
れる広いダイナミックレンジを持つ光受信器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光通信用光受信器にあっては、図
５に示すように、ピンフォトダイオード等の受光素子１
の出力端を低雑音増幅器（以下、フロントエンドと称す
る）２の入力端に直接接続するトランスインピーダンス
型と、図６に示すように、受光素子１にバイアス抵抗３
を直列接続し、両者の接続点とフロントエンド２の入力
端との間に直流阻止用のコンデンサ４を接続するハイイ
ンピーダンス型のものがある。

【０００３】しかし、これらの構成では、低受光側で最
適化すると高受光側で適性動作以上の電流もしくは電圧
がフロントエンド２に印加されてしまうため、出力波形
が歪み、正しい出力波形が得られなくなる。特に近年、
光通信加入者系では各種伝送距離に対応できるように、
高受光でも誤りなく応答可能な広ダイナミックレンジ特
性を有する光受信器が要望されている。

【０００４】このような広ダイナミックレンジの光受信
器として、すでに１９９０年電子情報通信学会、講演番
号Ｂ−９２２に発表されている。その内容について、図
７を参照して簡単に説明する。

【０００５】この光受信器は、図５に示したトランスイ
ンピーダンス型のものに改良を加えたもので、前記フロ
ントエンド２をＦＥＴ増幅器２１、帰還抵抗２２及び直
流阻止用コンデンサ２３からなる並列帰還型増幅器で構
成し、そのコンデンサ２３を介して出力Ｖｏｕｔを取り
出して電流検出器５でその電流値を検出する。この電流
値は電圧変化となって誤差増幅器６へ出力され、ここで
基準電圧Ｖｒｅｆとの誤差電圧が検出される。この誤差
電圧はＦＥＴ７のソース入力となり、ＦＥＴ７はこの入
力レベルに応じて受光素子１の出力をバイアスする。

【０００６】すなわち、受光素子１とフロントエンド２
を直流結合した場合には、高受信レべル時のフロントエ
ンド２の入力バイアスが上昇して出力側が飽和してしま
い、ダイナミックレンジが制限される。このため、フロ
ントエンド２の入力にＦＥＴ７を配して入力ＤＣレベル
制御機能を持たせ、高受信側ではＦＥＴ７側に電流を多
く流すように制御している。この方式によれば、ダイナ
ミックレンジは３２ｄＢほどの値を得ることができるが
、回路構成が複雑である等の問題を抱えている。

【０００７】また、従来の広ダイナミックレンジ光受信
器として、特開平２−２２６９２３号にその構成が記載
されている。その内容について、図８を参照して簡単に
説明する。

【０００８】この光受信器は、トランスインピーダンス
型フロントエンドをコンデンサで結合し、図６に示した
ハイインピーダンス型のように使用し、改良を加えたも
ので、抵抗８及び一対のショットキーバリアダイオード
９，１０からなるバイアス回路を設け、受光素子１の出
力端をあるバイアス点にバイアスするように、予め所定
の電流を流しておく。高受光側では、ダイオード１０の
抵抗が下がり、またダイオード９については抵抗が増大
するために、初期バイアス電流以上はフロントエンド２
側には流れ込まないようになっている。このため、高受
光側での受光劣化を回避することができる。

【０００９】しかしながら、この方式は、初期にバイア
スが必要であり、また最小受光側ではダイオード９，１
０の抵抗値が等しく、電流を等しく分配してしまうため
、最小受光レベルを３ｄＢほど劣化させてしまうという
欠点がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の広ダイナミックレンジ光受信器では、回路構成が複
雑であったり、高受光レベルまでダイナミックレンジを
拡大しても最小受光レベルを悪化させてしまう等の問題
を抱えている。

【００１１】この発明は上記の問題を解決するためにな
されたもので、簡単な回路構成で、最小受光レベルを悪
化させることなく、高受光レベルまでダイナミックレン
ジを拡大させることのできる広ダイナミックレンジ光受
信器を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの発明に係る広ダイナミックレンジ光受信器は、信
号光を受けて電流信号に変換する受光素子と、この受光
素子に直列接続され該受光素子の出力が最小受光レベル
で高抵抗となって非通電状態となり、出力の増大に応じ
て抵抗値が指数的に低下する非線形抵抗と、前記受光素
子と非線形抵抗との接続点から取り出される電流信号を
増幅出力する低雑音増幅器と、前記受光素子及び非線形
抵抗の接続点と前記低雑音増幅器の入力端との間に直列
接続される純抵抗及びコンデンサとを具備して構成され
る。

【００１３】

【作用】上記の構成による広ダイナミックレンジ光受信
器では、非線形抵抗は受光素子の受光レベルの低下に伴
って抵抗値が増大し、最小受光レベルでは実質的に非通
電状態となる。このため、最小受光レベルでの受光素子
の出力電流は、ほとんど損失なく、純抵抗及びコンデン
サを介して低雑音増幅器に送られる。また、非線形抵抗
は受光素子の受光レベルが高くなるにつれて抵抗値が指
数的に低下する。このため、受光素子の出力電流はある
点から急激に非線形抵抗へ流れ込むようになる。このた
め、受光素子が高受光レベルになると、低雑音増幅器に
送られる電流は制限されるようになる。

【００１４】

【実施例】以下、図１乃至図４を参照してこの発明の一
実施例を説明する。

【００１５】図１はこの発明に係る広ダイナミックレン
ジ光受信器の構成を示すもので、ＰＤは受光素子なるピ
ンフォトダイオードである。このタイオードＰＤのカソ
ードはＶＢ電源に接続されると共に、コンデンサＣ１を
介して接地される。また、アノードは純抵抗Ｒ、カップ
リングコンデンサＣ２を介してフロントエンドなるトラ
ンスインピーダンスアンプによるフロントエンドＦ／Ｅ
の入力端に接続されると共に、ショットキーバリアダイ
オードＤのアノードに接続される。このタイオードＤの
カソードは接地される。

【００１６】上記構成において、ピンフォトダイオード
ＰＤから出力される電流をｉ、ショットキーバリアダイ
オードＤに流れる電流をｉ１、フロントエンドＦ／Ｅに
入力される電流をｉ２とする。また、ピンフォトダイオ
ードＰＤのアノード及びショットキーバリアダイオード
Ｄのカソードとの接続点をＡとする。ｉ１，ｉ２はｉの
分岐電流である。

【００１７】図２は、この光受信器に入力される平均入
力電力とショットキーバリアダイオードＤの順方向電圧
との関係を示している。図３は、ショットキーバリアダ
イオードＤの順方向電圧と電流ｉ１，ｉ２，ｉとの関係
を示している。これらの図を参照し、伝送レートが１５
５．５２Ｍｂｉｔ／ｓとして、上記実施例の作用を説明
する。

【００１８】まず、低受光側から説明するに、伝送レー
ト１５５．５２Ｍｂｉｔ／ｓのパルス信号光がピンフォ
トダイオードＰＤに入射された場合、最小受光レベルは
−３５ｄＢｍ付近である。このとき、図２から明らかな
ように、ショットキーバリアダイオードＤの順方向電圧
は０．１Ｖで、図３のショットキーバリアダイオードＤ
の電圧ー電流特性から明らかなように、電流ｉ１はほと
んど変化しない。すなわち、このダイオードＤは高抵抗
状態であり、フォトダイオードＰＤで受信した電流ｉは
ほとんどフロントエンドＦ／Ｅへ流れ込むことになる。

【００１９】今、ショットキーバリアダイオードＤの抵
抗値をＲｓｈｏｔとし、フロントエンドＦ／Ｅの入力イ
ンピーダンスをＺｉｎとすると、フロントエンドＦ／Ｅ
に入力される電流ｉ２は、分流の法則より、ｉ２＝ｉ・
Ｒｓｈｏｔ／（Ｒ１＋Ｚｉｎ＋Ｒｓｈｏｔ）となる。こ
こで、Ｒｓｈｏｔ＝２ＭΩ、Ｒ１＝１００Ω、Ｚｉｎ＝
１００Ωとすると、　　ｉ２＝ｉ・２００００／（１０
０＋１００＋２００００）＝０．９９ｉである。したが
って、最小受光時のペナルティはほとんど無視すること
ができる。

【００２０】尚、ショットキーバリアダイオードＤを付
加したことによる入力容量の増加は、フロントエンドＦ
／Ｅの入力換算雑音を増加させることが懸念されるが、
この上記の設定値で雑音を測定したところ、図４に示す
結果が得られ、低雑音性を有することが確認された。図
４において、帯域内平均で２．５ｐＡ／Ｈｚである。こ
れにより、雑音の観点からも最小受光レベルをほとんど
悪化させることはない。

【００２１】−方、高受光側、例えば受光パワーを０ｄ
Ｂとすると、ショットキーバリアダイオードＤの順方向
電圧は約０．３Ｖとなる。このとき、このダイオードＤ
の抵抗値は低くなり、電流ｉ１が流れる。受光パワーが
大きくなっても、ショットキーバリアダイオードＤの順
方向電圧は約０．３Ｖに抑圧されるので、結果的にフロ
ントエンドＦ／Ｅへ流れる電流ｉ２も制限される。この
電流ｉ２の制限値は、簡単には図１に示すように抵抗Ｒ
を当該電流ｉ２の電流路に直列に挿入することで設定す
ることができ、入力インピーダンスＺｉｎと共に、ｉ２
＝０．３／（Ｒ＋Ｚｉｎ） で決定される。前述の例では、Ｒは約１００Ωである。

【００２２】したがって、高受光側でも、フロントエン
ドＦ／Ｅに向かう電流ｉ２が制限されるため、フロント
エンドＦ／Ｅは安定に動作可能であり、これによって出
力波形を歪ませることなく広ダイナミックレンジ化を達
成することができる。

【００２３】尚、上記説明は、光入力が０レベルの場合
には発光成分がないと仮定したが、０レベルでレーザが
しきい値以上にバイアスしてある場合には、図１に示す
ように抵抗Ｒと直列にコンデンサＣ２を接続し、このコ
ンデンサＣ２によってｉ２の直流分をカットした方がフ
ロントエンドＦ／Ｅの動作点が安定し、上記効果が顕著
に現れるようになる。

【００２４】かくして、上記構成による光受信器は、最
小受光レベルにおいて、ピンフォトダイオードＰＤに直
列接続されたショットキーバリアダイオードＤが高抵抗
状態となって、フォトダイオードＰＤで受信した電流ｉ
をほとんどフロントエンドＦ／Ｅへ流し込んで接続点Ａ
をバイアスし、高受光状態において、ショットキーバリ
アダイオードＤが低抵抗状態となってその順方向電圧を
抑圧し、抵抗Ｒと相俟ってフロントエンドＦ／Ｅへの電
流を制限するので、フロントエンドＦ／Ｅを安定に動作
させることができ、これによって出力波形を歪ませるこ
となく広ダイナミックレンジ化を達成することができる
。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
簡単な回路構成で、最小受光レベルを悪化させることな
く、高受光レベルまでダイナミックレンジを拡大させる
ことのできる広ダイナミックレンジ光受信器を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る広ダイナミックレン
ジ光受信器の構成を示す回路図。

【図２】図１の光受信器に入力される平均入力電力とシ
ョットキーバリアダイオードの順方向電圧との関係を示
す特性図。

【図３】図１のショットキーバリアダイオードの順方向
電圧と電流ｉ１，ｉ２，ｉとの関係を示す特性図。

【図４】図１の光受信器の低雑音性を説明するための波
形図。

【図５】従来のトランスインピーダンス型の光受信器の
構成を示す回路図。

【図６】従来のハイインピーダンス型の光受信器の構成
を示す回路図。

【図７】従来の広ダイナミックレンジ光受信器の第１の
例を示す回路図。

【図８】従来の広ダイナミックレンジ光受信器の第２の
例を示す回路図。

【符号の説明】

１…受光素子、２…フロントエンド、３…バイアス抵抗
、４…直流阻止用コンデンサ、２１…ＦＥＴ増幅器、２
２…帰還抵抗、２３…直流阻止用コンデンサ、５…電流
検出器，６…誤差増幅器、７…ＦＥＴ、８…抵抗、９，
１０…ショットキーバリアダイオード、ＰＤ…ピンフォ
トダイオード、Ｃ１…コンデンサ、Ｒ…純抵抗、Ｃ２…
カップリングコンデンサ、Ｆ／Ｅ…フロントエンド。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　信号光を受けて電流信号に変換する受
   光素子と、この受光素子に直列接続され、該受光素子の
   出力が最小受光レベルで高抵抗となって実質的に非通電
   状態となり、出力の増大に応じて抵抗値が指数的に低下
   する非線形抵抗と、前記受光素子と非線形抵抗との接続
   点から取り出される電流信号を増幅出力する低雑音増幅
   器と、前記受光素子及び非線形抵抗の接続点と前記低雑
   音増幅器の入力端との間に直列接続される純抵抗及びコ
   ンデンサとを具備する広ダイナミックレンジ光受信器。
2. 【請求項２】　　前記非線形抵抗はショットキーバリア
   ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の広ダ
   イナミックレンジ光受信器。