JPS5943859B2 - 対称クランプ光ファイバ受信機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術的背景〕 光ファイバをデータバスに応用する場合には大きな瞬時
ダイナミックレンジ容量を与える光受信機が要求される
。

或る点と或る但とを結ぶリンクとして設計された通常の
受信機は一般にこのような用途には不適当である。それ
はその自動利得制御（以下ＡＧＣという）機能が受信し
た光パワーレベルの大きな変化に応答する、には応答時
間が遅すぎて石り、その交流結合が平均光パワーレベル
９こ石ける変化に速応することを阻げるからである。こ
の発明の受信機は光フアイバデ゛一タバスに特有の問題
に対処するためのものであり、数ビット時間より大きく
ないように最大パルス幅が制限されたデータフォーマッ
トの任意のリンクにサービスすることができる。このデ
ータの直流内容はスクランブルその他の技術によつて制
限される必要はない。この発明の受信機の回路は簡単で
あり、複雑な自動利得或は閾値回路の必要性もない。受
信機の感度は２地点間の通信の場合の連続データ受信機
で得られる２乃至３ｄＢ内の感度を得ることができる。
感度はビツトエラ一率が１０−０である平均光パワーレ
ベルとして定義される。第１図は２つの代表的なバス構
成すなわちＴ結合ＴＣ？よびスター結合ＳＣを示してい
る。バス上の各受信機はバス上のどのターミナル（１，
・・・，Ｎ）の送信機から伝送されたデータでも忠実に
検出することができなければならない。或る場合には自
分自身のターミナルの送信機からの送信を受信しなけれ
ばならないかも知れない。受信機が与えら゛れた送信機
から受信する光パワーレベルは送信機の出力パワー８よ
び送信機と受信機との間に存在する損失に依存している
。これ等の損失は２０乃至３０ｄＢの変化がある。第２
図は受信機が受信する光信号を示している。１つの送信
機から受けるパワーレベルは他の送信機からのそれと比
較して非常に大きい。

第２の送信機からのデータメツセージは第１の送信機か
らのそれに直ぐ続いている。もしも受信機が第２のメツ
セージを受信するように充分に速応できないならば、バ
スのプロトコールはメツセージ間の時間（インターメツ
セージギヤツプタイムＩＧＴ）がもつと長くなるように
しなければならない。これはバスの効率が低下すること
を意味する。受信機のダイナミツクレンジ容量は、Ｐ，
右よびＰ２を第１の信号（Ｐ１）？よび第２の盾号（Ｐ
２）の平均信号パワーとすると−１０２０ｇＰ，／Ｐ２
（ＤＢ）として定義される光信号レンジ（０ＳＲ）とし
て与えられる。普通の交流結合受信機の設計では殆んど
の光データバスで要求される０ＳＲ？よびＩＧＴ特性を
得ることはできない。交流結合受信機の過渡特性の一例
が第３図に示されている。平均信号パワーが瞬間的に増
加または減少した時、閥値検出器（例えば電圧比較器）
によつて検出できるレベルに信号を復帰させるため受信
機のアナログ出力に対して或る時間が必要である。従来
この問題の解決のため種々の設計の受信機が提案され、
試験された。

しかし、それ等は受信機の感度を犠牲にし？よび／また
は回路の簡単性を損なうものであつた。例えば速応性を
持たせるように設計された改良されたＡＧＣ回路は非常
に複雑なものとなつている。ストレートな交流結合受信
機はその応答時間を小さくすると感度が犠牲にされる。
〔発明の目的〕 ） この発明の目的は、数ビツト時間内に受活した簡号のパ
ワーレベルの大きな変ＦＦ．に応答する能力を有する光
フアイバ受信機を提供することである。

この発明の別の目的は、連続的なデータ通信に対して既
知の受信機に比較して受信機の感度の低下が最小限のも
のである光フアイバ受信機を提供することである。この
発明のさらに別の目的は簡単で、かつ受信された信号の
直流成分が何等制限されない回路を利用して上記目的を
達成することである。

〔発明の概要〕

この発明による設計は殆んどのデータバスプロトコール
が最大のパルス長が２ビツト時間或はそれより小さく制
限されているデータフオーマツトを使用することを可能
にしている。

これは通常データと共に多数のタイミング情報が与えら
れるマンチエスタ或は遅延符号が使用されることを意味
している。この発明の装置！ままた同様の符号或１１リ
ターンツ一・ゼロ（ＲＺ）フオーマツトが使用される２
点間を結ぶリンクに使用することもできる。後者の場合
にはパルスが任意の比率で発生されるデータをリンクが
処理することができ、したがつて直流対Ｘビツト率リン
クを許容する。この発明による光受侑機に？いては普通
の受信機のＡＧＣ回路は対称クランプとして動作する回
路によつて置換される。対称クランプは既知のＡＧＣ回
路のような遅い応答時間に支配されないから、これによ
つて応答時間が長くかかる問題を克服することができる
。〔発明の実施例〕 第４図はこの発明による光受信機の簡単な機能図を示ず
。

それは普通の設計と違つてＡＧＣ回路が対称クランプｌ
こよつて置換されている。受は機はフオトダイオード（
ピンフオトダイオード或はアバランシエフオトダイオー
ド、ＡＰＤ）のような光検出器ＰＤ、低雑音前置増巾器
（通常それが受信機の感度を決定する）Ａ１、線形後段
増巾器Ａ２、対称クランプＣＬおよびは号を論理レベル
に量子化する電圧比較器ＣＰより構成されている。対称
クランプＣＬは第１と第２のノード間に逆並列に接続さ
れた２個のダイオードと一端が第１のノードに接続され
たキヤパシタにより構成されている。第５図は対称クラ
ンプＣＬの等価回路の簡略図である。

後段増巾器Ａ２の出力における受信信号はｉで表わきれ
る。この増巾器の出力インピーダンスはＲｓにより、ま
たダイオードＤ１のダイオード抵抗はＲｄｓ，で、Ｄ２
のダイオード抵抗はＲｄｓ２で、さらに出力または負荷
抵抗は現ににより表わされる。第６ａ図には小電力レベ
ル信号が後続する大電力レベル信号が受信された時のＶ
ｉの波形が示されている。ＴＯからＴ，までは信号は存
在しないから、Ｖｉは前置増巾器内で発生した雑音Ｎよ
り成る。もしもこれが対称クランプＣＬが存在しない状
態で供給されるとすれば電圧比較器ＣＰ（第４図）はこ
の雑音を量子化するが、この場合の受信出力はデータと
してば何の意味もないものである。図示しない抵抗ＲＢ
を介して電圧一Ｂの電源からクランプ回路のキヤパシタ
Ｃ１とダイオードＤｌ，Ｄ２との接続点である第１のノ
ードに小バイアス電流を供給し、ダイオードＤ２を了度
導電状態になるようにバイアスする。

この電圧−Ｖｆ２は電圧比較器の閥値レベル以下であり
、それ故この状態では電圧比較器の出力はゼロに保持さ
れる。時刻ｔ１に？いてＶｉは正方向に増加し、それに
よつてダイオードＤ２は順方向バイアスでなくなる。ｔ
１に？けるＶｉの立上り状態にδいて、ＶｉがＶｆｉ（
ダイオードＤ１のターンオン電圧）超えるまではダイオ
ードＤ１も導通しないから両ダイオードのインピーダン
スは高く、したがつてこの期間中ダイオードは回路から
除外されたものとして考えることができ負荷抵抗現はＲ
ｓ？よびＸｃに比較して非常に大きく、したがつてＶ。
はＶｉに従つて変化する。ＶｉがＤ１の順方向へのター
ンオン電ＢＬ（ｆ１）に達した時にキヤパシタＣ１はＲ
ｄｓｌ？よびＲｓを通つて（Ｖｉ−Ｖｆｌ）によつて充
電される。時定数Ｃ１（Ｒｄｓｌ＋Ｒｓ）右よびＶｉの
立上り時間はこれに必要な長さを決定する（Ｃ１はキヤ
パシタＣ１のキヤパシタンス）。出力電圧Ｖ。は第６ｂ
図に示されるように変化する。キヤパシタＣ１の両端の
電圧が（ｉ−Ｖｉｌ）に等しくなつた時点Ｔｔ２を越え
るとＣ１の出力側端子は前述のように抵抗ＲＢを介して
−ＶＯに接続されているためにＣ１が充電されてこの端
子の電圧が低下しそのためダイオードＤ１は順バイアス
状態を保持することができなくなり、Ｃ１はＲ。を通つ
て充電される。そのときダイオードＤ１のインピーダン
ス（逆方向インピーダンス）ＲＯよりずつと大きいから
Ｃ１はＲ。を通つて充電される。ＲＢは典型的にはＲ。
よりはるかに大きく、Ｒ８＋Ｒ，８よりはるかに大きく
されている。したがつてＴ２とＴ３の間に右ける充電速
度は非常に小さくなり、この間のＶ。の減衰はＤ１？よ
びＤ２の順方向ターンオン電圧の和（Ｖｆｌ＋Ｖｆ２）
に比較して非常に小さく、したがつて実質上一定に近い
。時刻Ｔ３において、・Ｖｉはゼロに復帰し、ＶＯはＤ
２が順バイアスとなるまでＶｉに従つた値である゜。キ
ヤパシタＣ１はその両端の電圧が（Ｖｉ＋Ｖｆ２）に等
しくなるまでＲ８？よびＲｄ８２を通つて放電する。こ
の勝点でダイオードＤ２はＲＢを通る電流によつてバイ
アスされ、ＶＯは−Ｖｆに等しくなる（ここでＶｆ＝Ｖ
ｆ，＝Ｖｆ２である）。次に小信号が時点Ｔ４で受信さ
れる時、ＶＯｉｉｖｉに従つて増加する。

しかしＶｉは小信号であつてＤ，の順方向ターンオン電
圧（ｆ）に達することｂがないのでＶ。はクランプされ
ない。この場合にもキヤパシタＣ，の充電によつてＶ。
は若干低下するが負荷抵抗現は非常に大きいから波形は
Ｔ４とＴ５の間で殆んど一定と考えてよい。Ｖｉが時点
Ｔ５で負の方向に向つて減少すると、Ｔ４とＴ５と．の
間のＣ１の小量の充電を行なうために若干順方向にバイ
アスされる。以上の説明から明らかなようにこの対称ク
ランプ回路の特性の真の効果は非常に大きな入力信号か
らＶ。が急速に回復できることであり、それ故その回路
は受信機の感度点のノパワーレベルの信号を容易に検出
することができる。クランプは小信号に対してはパルス
波形に対Ｃて少ししか歪を生じさせないが、大は号の振
幅をパルス幅を歪ませることなく小信号の振幅と同じよ
うに歪ませる。小信号の歪が小量であること閂は前置増
巾器から得られる最大の感度を利用することができるこ
とである。前置増巾器？よび後続の増巾器の利得は、Ｄ
，右よびＤ２が信号のピークで了度順バイアスにかろう
じて駆動される点まで感度点に？ける信号がノ増巾され
るようなものでなければならない。

Ｒ８，Ｒｄ８，Ｃ，？よびＲ。に対する回路の値は所望
の特性に対して最適のものとしなければならない。一般
にＲ８右よびＲｄ８の値はできるだけ低く保持されるべ
きである。Ｃ１のキヤパシタンスはできるだけ低い値に
保たなければならないが、ＲＯＣｌの時定数は感度特件
の低下を小さくするために［ビツト時間に比較して長く
保たなければならない。上述の回路は回路理論を説明す
るための補助手段として使用された。

しかし実際には第４図の回路中の前置増巾器から要求さ
れるダイナミツクレンジは現実的なものではない。第７
図の回路はダイオードを帰還路中に配置することによつ
てこの問題を解決している。これは帰還対称クランプと
呼ばれる。これは後段増巾器Ａ２からの出力電圧を２ｖ
ｆに制限し、しかも前述の回路特件を与えるものである
。また第８図に示すように幾つかのクランプ段を縦続し
て使用して０ＳＲを増巾させ、かつ任意の１つの増巾器
中の所要のダイナミツクレンジを減少させることもでき
る。以上説明した対称クランプ技術は光フアイバス受簡
機に特に有用である。

それはまたＲＺ（リターン・ツ一・ゼロ）？よびマンチ
エスタ一符号の２点間を結ぶリンクに対しても非常に魅
力的なものである。この回路はまた空間光通信リンク［
よび電線によるシステム（こ？いても有用なものである
。以上特別の装置に関連してこの発明の原理を説明した
が、この記載１ｉ単なる例示に過ぎないものであつて、
特許請求の範囲に記載されれ発明の技術的範囲を制限す
るものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な「ＴＪδよび「スター」データバスを
示し、第２図はインターメツセージのダイナミツクレン
ジを示し、第３図は交流結合信号シフトを示ず。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光信号を電気信号に変換する光検出器と、増巾器と
   、この増巾器の出力を論理レベル信号に量子化する手段
   により成る光受信号機において、前記増巾器と前記量子
   化する手段との間に結合された対称クランプ手段を具備
   することを特徴とするパルス形態のデータを伝送する光
   データ伝送システムにおける光受信機。 ２ 前記対称クランプ手段が第１のノードと基準電位に
   保持された第２のノードとの間に逆向き並列に接続され
   た第１および第２のダイオードと、第１の端子が前記第
   １のノードに接続され第２の端子が前記増巾器の出力に
   接続されたキャパシタとを具備し、このキャパシタは入
   来するデータパルス間の時間に等しいかそれより短い期
   間内に充電するのに充分な大きさのキャパシタンス値を
   有し、前記第１のノードが前記量子化する手段の入力に
   接続されている特許請求の範囲第１項記載の光受信機。 ３ 前記対称クランプ手段が電気信号を受信機の感度に
   合致した最小信号の僅かに上の電圧レベルにクランプす
   る如く構成されている特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の光受信機。 ４ 第１の端子が前記第１のノードに接続された抵抗と
   、正負の端子を有し正端子が前記第２のノードに接続さ
   れた電圧源とを具備し、前記抵抗の第２の端子が前記電
   圧源の負端子に接続されている特許請求の範囲第２項記
   載の光受信機。 ５ ２段の対称クランプ手段がカスケードに設けられて
   いる特許請求の範囲第１項記載の光受信機。