JP2009182841A

JP2009182841A - 光受信装置

Info

Publication number: JP2009182841A
Application number: JP2008021373A
Authority: JP
Inventors: Moriyasu Ichino; 守保市野; Junichi Kataoka; 潤一片岡; Seiichi Ishikura; 誠一石倉
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-08-13
Also published as: US8190034B2; US20090194675A1

Abstract

【課題】光入力レベルを検出するＰＩＮ−ＰＤを追加する必要がなく、また、温度調整を必要とせず、消費電力の増加がない効率のよい光受信装置を提供する。
【解決手段】第１の波長の光信号を受光するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１１と、第２の波長の光信号を受光するピンフォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）３１とを有し、ＡＰＤ１１にバイアス電圧を与える光受信装置である。この光受信装置は、前記のＡＰＤ１１に流れる電流をモニタする第１のモニタ手段と、前記のＰＩＮ−ＰＤ３１に流れる電流をモニタする第２のモニタ手段と、第１のモニタ手段と第２のモニタ手段に基づいてＡＰＤ１１の増倍率が所定の値になるようにバイアス電圧を制御する制御手段２０と、を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光通信において、デジタル信号を受信するアバランシュフォトダイオードとアナログ信号を受信するピンフォトダイオードを有する光受信装置に関する。

光通信技術の進展に伴い、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）に代表される加入者系通信網のＰＯＮ（Passive Optical Network）システムの導入が進んでいる。この光アクセスネットワークシステムでは、ギガビットイーサネット（登録商標）などのデータ通信用のデジタル信号（局側から宅側への下りの１.４９μｍ波長の光信号、宅側から局側への上り１.３１μｍ波長の光信号）の波長多重双方向光通信に加えて、局側から映像配信サービス用のアナログ信号（局側から宅側への下り１.５５μｍ波長の光信号）を含むシステムが採用されるようになっている。

この場合、宅内端末機器（ＯＮＴ：Optical Network Terminal）には、デジタル信号
送信用のレーザダイオード（ＬＤ）と、デジタル信号受信用のフォトダイオード（ＰＤ）と、アナログ信号受信用のフォトダイオード（ＰＤ）を有し、これらの光信号を合波または分波する波長多重フィルタ（ＷＤＭフィルタ）を一体に組込んだ光モジュールが、機器の小型化、コストの点で用いられる。光モジュールは、これらの光素子と送信回路、受信回路、その他の電気回路を同一基板上に搭載して構成され、これらを共通のＣＰＵにより制御し、さらなる小型化と低コスト化に対する改善が要望されている。

図１は、代表的な光アクセスネットワークシステムであるＧＰＯＮ（Gigabit-Capable−ＰＯＮ）の一例を示している。このネットワークシステムでは、局内装置１（ＯＬＴ：Optical Line Terminal）は、映像を配信するアナログ伝送を行うVideo ＯＬＴ１ａ（１.５５μｍ波長の光送信回路）と、通常のデジタル伝送を行うBasic Band ＯＬＴ１ｂ（１.４９μｍ波長の光送信回路と１.３１μｍ波長の光受信回路）で構成される。これら異なる波長の光信号は、ＷＤＭフィルタ３ａおよび３ｂを経由して１本の光ファイバ４に波長多重されて送信され、ユーザに対して光カプラ５により分岐、分配され、光ファイバ伝送路の損失などによって減衰されて、ＯＮＴ２で受信される。

ＯＮＴ２では、受信した波長多重信号光がＷＤＭフィルタ６で、アナログ信号の１.５５μｍ波長の光信号と、デジタル信号の１.４９μｍ波長の光信号に分波されて、それぞれのＰＤで受信される。１.５５μｍ波長のアナログ信号は、ピンフォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）からなる受信回路２ａ（以下、ビデオ受信回路という）で受信し、１.４９μｍ波長のデジタル信号は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）からなる受信回路２ｂ（以下、デジタル受信回路という）で受信する。なお、ＯＮＴ２からＯＬＴ１には、１.３１μｍ波長の光送信回路２ｃでデジタル信号の光信号が送信され、光カプラ５、ＷＤＭフィルタ３ｂ，３ａを経由して、Basic Band ＯＬＴ１ｂの１.３１μｍ波長の光受信回路に伝えられる。

ＯＮＴ２のデジタル受信回路２ｂには、高い受信感度を得るために自己増倍機能を有するＡＰＤを用いるのが一般的である。ＡＰＤの増倍率は、高い増倍率を設定する（バイアス電圧を高くする）と、それにつれて雑音信号も増大し受信特性が劣化し、光信号の光強度が大きい場合は、過大電流により自己破壊を起こしたり、後段の増幅回路が飽和状態に至ることもある。反対に増倍率を小さくすると、所定の受光感度を得ることができなくなる。また、ＡＰＤの増倍率は、バイアス電圧によって変化すると共に環境温度によっても変化するため、最適の増倍率を設定するための種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、ＡＰＤと同じ光信号を受光するＰＩＮ−ＰＤを設けると共に、温度を検出するＴ／Ｖコンバータ、メモリ等を設け、ＰＩＮ−ＰＤで検出した信号と検出温度に応じてメモリに記憶されたＡＰＤに最適なバイアス電圧を読み出す光受信装置が開示されている。
また、特許文献２には、定電流回路とＡＰＤに並列にトランジスタを接続した構成とすることで、ＡＰＤ電流を制御し、これによってバイアス電圧を制御して増倍率を変化させるものと比べて、応答性を高めるようにしている。

また、特許文献３には、ＡＰＤとバイアス電源との間に抵抗を直列に入れ、増倍率が光入力信号の大きさに応じて最適な値に制御することが開示されている。
また、特許文献４には、ＡＰＤ電流をカレントミラー回路によりモニタし、ＡＰＤ電流が所定値に維持されるように、バイアス電圧を帰還制御することが開示されている。
特開２０００−２４４４１８号公報特開昭５９−１６０３４５号公報特開平５−３４３９２６号公報特開２００５−３０４０２２号公報

特許文献１に開示の技術によれば、ＡＰＤ電流をモニタするためのＰＩＮ−ＰＤを必要とすると共に、ＡＰＤ特性に近似した温度補正を行うための温度制御を必要とし、コストが高くなるという問題がある。特許文献２に開示の技術によれば、ＡＰＤに並列にトランジスタを付加し、それに電流を流してＡＰＤ電流を制御するため、余分な消費電流を必要とする問題がある。特許文献３に開示の技術によれば、光入力が大きい場合には、直列抵抗による電圧降下で消費電力が増大し、必要以上の出力電圧を必要とし、効率がよくないという問題がある。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、光入力レベルを検出するＰＩＮ−ＰＤを追加する必要がなく、また、温度調整を必要とせず、消費電力の増加がない効率のよい光受信装置の提供を目的とする。

本発明による光受信装置は、第１の波長の光信号を受光するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）とを有し、第２の波長の光信号を受光するピンフォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）と、ＡＰＤにバイアス電圧を与える光受信装置である。この光受信装置は、前記のＡＰＤに流れる電流をモニタする第１のモニタ手段と、前記のＰＩＮ−ＰＤに流れる電流をモニタする第２のモニタ手段と、第１のモニタ手段と第２のモニタ手段に基づいてＡＰＤの増倍率が所定の値になるようにバイアス電圧を制御する制御手段と、を備えている。前記の制御手段は、第２のモニタ手段に基づいてＡＰＤへの光入力レベルを推定し、光入力レベルに応じてＡＰＤの増倍率を変える制御を行う。また、光入力レベルに応じたＡＰＤの増倍率の関係を予め格納した記憶部を備え、該記憶部を参照して所定の増倍率とするようにしてもよい。

本発明によれば、ＡＰＤへの所定の光入力レベルに対して、所定のバイアス電圧が設定されるので、温度調節の必要がなく温度調節装置が不要となる。また、光入力レベルは、他の目的（ビデオ信号用）で備えるＰＩＮ−ＰＤを利用して求めることができるので、光入力レベルを検出するためのＰＩＮ−ＰＤを別途備える必要がない。また、バイアス電圧発生手段とＡＰＤの間に、出力電圧を下げるための直列抵抗を挿入する必要がないので、余分な消費電力の発生を少なくすることができる。

ＡＰＤは、その自己増倍作用によりアノードとカソード間に加える電圧（バイアス電圧）によって出力が増幅されるので、自己増倍作用を有しないＰＩＮ−ＰＤよりも高い受信感度がえられる。ＡＰＤの増倍率Ｍは、次の（１）式によって表される。

増倍率Ｍが小さい場合、同じ光入力Ｐｉであっても得られるＡＰＤ電流Ioutは、増幅量が小さく受信感度が小さくなる。一方、増倍率Ｍが大き過ぎると、雑音信号も増大し受信特性が劣化する。すなわち、最小受信レベルで最も誤り率の少ない増倍率Ｍを最適値とする調整を行う必要がある。また、ＡＰＤに加えるバイアス電圧と増倍率は、次の（２）で表される。

この（２）式に基づいて、ある光入力レベルで最適な増倍率Ｍを得るには、降伏電圧Ｖｂに温度特性があるため、バイアス電圧Ｖapdを一定にするだけでなく、降伏電圧Ｖｂと同様な温度特性を持たせる必要がある。そのため、各温度での増倍率Ｍを求めると言う温度調整が必要となる。

ここで、従来技術から一般的なＡＰＤのバイアス電圧の制御手段の模式例を図２に示す。図２において、デジタル受信部１０は、図１のデジタル受信回路２ｂに相当するもので、光ファイバで伝送された１.４９μｍの光信号を、ＡＰＤ１１で受光する。ＡＰＤで受光した入力光は、カソード側に加えられたバイアス電圧によって、所定のＡＰＤ電流（Ｉapd ）に増倍されて、前置増幅装置１５に出力される。なお、前置増幅装置１５は、通常、ＴＩＡ（Trans-Impedance Amplifier）で形成される。

バイアス電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２により昇圧されてＡＰＤ１１に加えられ、光入力により生じたＡＰＤ電流を増倍する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、制御部２０のＣＰＵ２１からの制御信号により、デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）２２を経て制御される。制御されたバイアス電圧は、例えば、特許文献４に開示されているようなカレントミラー回路１３を介してＡＰＤ１１に加えられると共に、カレントミラー回路１３の他方の出力側に接続された抵抗１４に加えられる。抵抗１４側には、ＡＰＤ１１に流れる電流Ｉapdと同等の電流が流れるので、電流電圧変換されて、電圧信号として取出すことによりＡＰＤ電流のモニタ信号（第１のモニタ手段）とすることができる。

ＡＰＤ電流（Ｉapd）の電圧変換された信号は、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２３により、デジタル信号に変換されてＣＰＵ２１に入力される。また、ＡＰＤ１１の温度情報が温度モニタ２４からの温度信号で入力される。これにより、ＡＰＤ１１の温度がどのような状態にあっても、最適なバイアス電圧が設定され、増倍率Ｍも最適な値となる。しかし、これには、各温度での最適なバイアス電圧を求めておく必要があり、ＡＰＤ１１によって最適なバイアス電圧が異なるため、それぞれのＡＰＤに応じた調整が必要となる。

ところで、上記の（１）式によれば、光波長λ（μｍ）を既知とすれば、ＡＰＤ電流（Ｉapd）と光入力Ｐiのレベルをモニタすることができれば、増幅率Ｍを求めることができる。すなわち、所定の増倍率ＭになるようにＡＰＤ電流を制御すればよいということになる。しかしながら、図２の回路構成では、光入力Ｐiをモニタすることができないので、実際上は、（２）式に基づいて算出されるバイアス電圧Ｖapdを制御することになり、これには温度調整が必要となる。

そこで、本発明においては、図１で説明したＧＰＯＮシステムにおいて、宅側のＯＮＴ２のビデオ受信回路２ａで、温度の影響を受けないＰＩＮ−ＰＤを用いて受光していることを利用する。すなわち、ビデオ受信回路２ａの情報により、デジタル受信回路２ｂのＡＰＤを用いる受信回路の光入力レベルを求めることで、温度調整を不要とする所定の増倍率Ｍを得ることを可能としている。

なお、デジタル受信回路２ｂのＡＰＤへの光入力レベルの求め方について説明する。図１のＧＰＯＮシステムで、Video ＯＬＴ１ａ（１.５５μｍ波長の光送信回路）とBasic Band ＯＬＴ１ｂ（１.４９μｍ波長の光送信回路）の光出力は一定に出力される。この光出力は、１.４９／１.５５μｍのＷＤＭフィルタ３ｂで合波され、その後、光ファイバ４と光カプラ５、ＯＮＴ２内のＷＤＭフィルタ６を経由して、１.５５μｍ波長のビデオ信号光はビデオ受信回路２ａのＰＩＮ−ＰＤで受信され、１.４９μｍ波長のデジタル信号光はデジタル受信回路２ｂのＡＰＤで受信される。

ビデオ受信回路２ａおよびデジタル受信回路２ｂの光受信レベルは、Video ＯＬＴ１ａおよびBasic Band ＯＬＴ１ｂの光出力と光伝送線路の光ファイバや光学素子の損失に依存する。まず、損失に関しては、１.４９μｍ波長のデジタル信号光と１.５５μｍ波長のビデオ信号光とでは異なるが、光カプラ６などの光学素子は波長依存がないことから、伝送距離が短ければ、ほとんど同じと考えることができる。

例えば、合波、分配に使われるＷＤＭフィルタ（３ｂ，６）による損失が０.５ｄＢ程度、４分配の光カプラ５による損失が６.０ｄＢ程度で、いずれも波長に依存しない。そして、光ファイバ４の伝送損失は、０.２４ｄＢ／ｋｍ（１.４９μｍ）、０.２１ｄＢ／ｋｍ（１.５５μｍ）とすれば、２０ｋｍ程度の伝送損失は、波長１.４９μｍで４.８ｄＢ、波長１.５５μｍで４.２ｄＢとなる。この場合、波長１.４９μｍのデジタル信号ではトータル損失が１１.８ｄＢ、波長１.５５μｍのビデオ信号ではトータル損失が１１.２ｄＢとなる。

ここで、例えば、局側（ＯＬＴ側）のVideo ＯＬＴ１ａ（波長１.５５μｍ）の光出力を＋１０ｄＢｍ、Basic Band ＯＬＴ１ｂ（波長１.４９μｍ）の光出力を＋３ｄＢｍとすれば、宅側（ＯＮＴ側）のビデオ受信回路２ａのＰＩＮ−ＰＤへの光入力レベルは−１.２ｄＢｍ（＝１０−１１.２）デジタル受信回路２ｂのＡＰＤへの光入力レベルは−８.８ｄＢｍ（＝３−１１.８）となる。

次に、図３の模式図により、本発明による光受信装置の概略を説明する。本発明においては、図２の模式図で説明したデジタル受信部１０と制御部２０に加えて、ビデオ受信部３０を備えている。このビデオ受信部３０は、図１のビデオ受信回路２ａに相当するもので、光ファイバで伝送された１.５５μｍの光信号を、ＰＩＮ−ＰＤ３１で受光する。ＰＩＮ−ＰＤ３１で受光した入力光は、カソード側に加えられた一定のバイアス電圧Ｖccによって、インダクタコイル３２と抵抗３３とが直列接続された受信回路にＰＤ電流（Ｉpd ）が生成され、増幅装置３４ａ，３４ｂに出力される。なお、増幅装置には、ＴＩＡ（Trans-Impedance Amplifier ）で形成したものが用いられる。

上記の受信回路に生成されたＰＤ電流（Ｉpd ）は、抵抗３３により電流電圧変換されて制御部２０に、モニタ信号（第２のモニタ手段）として供給される。電圧に変換されたモニタ信号は、アナログデジタルコンバータ（ＡＰＤ）２５によりデジタル信号に変換されて、図２の温度モニタ２４の温度信号に代えて、ＣＰＵ２１に入力される。

ここで、ＯＮＴ側のビデオ受信部３０のＰＩＮ−ＰＤ３１の光入力レベルが−１.２ｄＢｍ、ＯＬＴ側（図１参照）のVideo ＯＬＴ１ａ（波長１.５５μｍ）の光出力が＋１０ｄＢｍと予め判っていれば、ＯＬＴとＯＮＴ間のトータル損失が１１.２ｄＢであると、ＣＰＵ２１で算出することができる。また、ＯＬＴ側のBasic Band ＯＬＴ１ｂの光出力が＋３ｄＢｍで、トータル損失はVideo ＯＬＴ１ａとほぼ同じであるとすると、デジタル受信部１０のＡＰＤ１１の光入力レベルＰｉは、−８.２ｄＢｍ（＝３−１１.２）であると、ＣＰＵ２１で算出することができる。

この場合のＡＰＤ１１の光入力レベルＰi（−８.２ｄＢｍ）は、先に説明した実際のデジタル受信回路２ｂのＡＰＤでの光入力レベルの算出値は、−８.８ｄＢｍであったが、上記の−８.２ｄＢｍと近似するものとして扱うことができる。このデジタル受信部１０のＡＰＤ１１の光入力レベルＰｉ（−８.２ｄＢｍ）は、上記したようにＯＮＴ側のビデオ受信部３０のＰＩＮ−ＰＤ３１に流れる電流Ｉpdから、ＰＩＮ−ＰＤ３１の光入力レベル（前記の−１.２ｄＢｍ）を検出し、ＯＬＴ側の光出力（前記の＋１０ｄＢｍ：既知）から、ＯＮＴとＯＬＴ間のトータル損失（前記の１１.２ｄＢ）を算出することで、推定することができる。なお、ＰＩＮ−ＰＤ３１の変換効率が０.９Ａ／Ｗであれば、−１.２ｄＢｍの光入力レベルＰｉnで、Ｉpd＝０．６８ｍＡ（＝０.９×Ｐｉn）となる。

また、デジタル受信部１０は、図２で説明したように光ファイバで伝送された１.４９μｍの光信号を、ＡＰＤ１１で受光する。ＡＰＤ１１で受光した入力光は、カソード側に加えられたＤＣ／ＤＣコンバータ１２により昇圧されたバイアス電圧によって、所定のＡＰＤ電流（Ｉapd ）に増倍され、前置増幅装置１５に出力される。バイアス電圧は、例えば、カレントミラー回路１３からなる受信回路の一方に接続されたＡＰＤ１１に加えられると共に、カレントミラー回路１３の他方の側に接続された抵抗１４に加えられる。

抵抗１４側には、ＡＰＤ１１に流れる電流Ｉapdと同等の電流が流れるので、これを電流電圧変換し、第１のモニタ手段として、制御部２０にモニタ信号用に供給される。ＡＰＤ電流（Ｉapd ）の電圧変換された信号は、ＡＤＣ２３によりデジタル信号に変換されて、ＣＰＵ２１に入力される。

すなわち、（１）式に示したＡＰＤ電流Ｉapdのモニタ値は、第１のモニタ手段としてＡＤＣ２３は介してＣＰＵ２１に入力され、また、入力光Ｐiは、ビデオ受信部３０のＰＩＮ−ＰＤ３１に流れる電流Ｉpdを第２のモニタ手段としてモニタし、ＡＤＣ２５を介してＣＰＵ２１に入力することで算出が可能となる。この結果、（１）式を満足する増倍率Ｍが算定され、そして、（２）式から所定の増倍率Ｍとなるバイアス電圧の設定が可能となる。

図４は、ＡＰＤにおける光入力レベル（ｄＢｍ）と増倍率Ｍの関係を説明する図である。この図に示すように、デジタル受信部１０でＡＰＤ１１に大きな増倍率を必要とするのは、光入力レベルが小さい場合で、光入力レベルが大きい場合は逆に低い増倍率でよい。例えば、最小の受信感度の光入力レベルが−２８ｄＢｍとすると、このときの増倍率Ｍ＝１０とし、最大の光入力レベルが−８ｄＢｍでは増倍率Ｍ＝３でよい。

本発明においては、ビデオ受信部３０のＰＩＮ−ＰＤ３１のモニタ電流により、デジタル受信部１０のＡＰＤ１１の光入力レベルを算出することができるので、それぞれの光入力レベルに応じた最適な増倍率Ｍとなるようなバイアス電圧を設定することが可能となる。したがって、例えば、図４に示すような光入力レベルに対して増倍率を単調に減少する直線近似式あるいはルックアップテーブルを、ＯＮＴ側の制御部２０に記憶保持させておくことによっても実現することができる。

上述したように、本発明においては、ＡＰＤの温度の変動に関わらず、ＡＰＤへの一定の光入力レベルで増倍率が一定になるようにバイアス電圧を算出することができるため、各温度での調整を必要としない。また、ＡＰＤへの光入力レベルは、ビデオ受信用のＰＩＮ−ＰＤのモニタ電流により求めることができるので、他に追加のＰＩＮ−ＰＤを必要とせず安価に構成することができる。さらに、ＡＰＤへの光入力レベルを求めることにより、光入力レベルに応じた増倍率となるようにバイアス電圧を下げることが可能となるので、バイアス電圧源とＡＰＤ間に抵抗を挿入する必要がなく、消費電力を下げることができる。

光アクセスネットワークシステムの一例を示す図である。一般的なＡＰＤのバイアス電圧の制御手段を説明する図である。本発明による光受信装置の概略を説明する模式図である。本発明で使用される光入力レベル（ｄＢｍ）と増倍率Ｍの関係を説明する図である。

符号の説明

１０…デジタル受信部、１１…アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、１２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１３…カレントミラー回路、１４…抵抗、１５…前置増幅装置、２０…制御部、２１…ＣＰＵ、２２…デジタルアナログコンバータ、２３，２５…アナログデジタルコンバータ、３０…ビデオ受信部、３１…ピンフォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）、３２…インダクタコイル、３３…抵抗、３４ａ，３４ｂ…増幅装置。

Claims

第１の波長の光信号を受光するアバランシェフォトダイオードと、第２の波長の光信号を受光するピンフォトダイオードとを有し、前記アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を与える光受信装置であって、
前記アバランシェフォトダイオードに流れる電流をモニタする第１のモニタ手段と、前記ピンフォトダイオードに流れる電流をモニタする第２のモニタ手段と、前記第１のモニタ手段と前記第２のモニタ手段に基づいて前記アバランシェフォトダイオードの増倍率が所定の値になるように前記バイアス電圧を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とする光受信装置。
前記制御手段は、前記第２のモニタ手段に基づいて前記アバランシェフォトダイオードへの光入力レベルを推定し、前記光入力レベルに応じて前記アバランシェフォトダイオードの増倍率を変えることを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記光入力レベルに応じて前記アバランシェフォトダイオードの増倍率の関係を予め格納した記憶部を備え、該記憶部を参照して所定の増倍率とすることを特徴とする請求項２に記載の光受信装置。