JP3802232B2 - 光受信器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光デジタル通信などに用いられる光受信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光デジタル通信方式の場合、送信側ではディジタル信号を光のＯＮ／ＯＦＦに変調して送信している。一方、受信側では、光のＯＮ／ＯＦＦを検出しディジタル信号を識別している。
【０００３】
ところで、光のＯＮ／ＯＦＦを検出する場合、受信側では、受信信号としきい値と比較している。このため、受信側において光のＯＮ／ＯＦＦを検出する場合、伝送路における信号のレベル変動やデバイスの経年変化による受信信号のレベル変動などを吸収する必要がある。そのため、光受信器には、通常、自動利得制御回路（以下ＡＧＣ回路という、また自動利得制御をＡＧＣと表現する）が設けられている。
【０００４】
ここで、ＡＧＣ回路を設けた従来の光受信器について図３を参照して説明する。符号Ｓは外部から送られてくる光信号で、光信号Ｓは、光受信器を構成するアバランシェフォトダイオード（以下ＡＰＤという）３１で受信される。受信された光信号ＳはＡＰＤ３１で電流に変換される。ＡＰＤ３１で電流に変換された受信信号は前置増幅器３２によって電圧に変換され、その後、ＡＧＣ増幅器３３および主増幅器３４によって所定の電圧振幅に増幅される。そして、主増幅器３４から識別器３５の一方の入力端Ａに加えられる。
【０００５】
また、識別器３５の他方の入力端Ｂには、基準電圧源３６から基準電圧いわゆるしきい値が加えられている。識別器３５では、主増幅器３４から送られる受信信号としきい値とを比較し、両者の大小からデジタル信号が識別される。
【０００６】
また、主増幅器３４から出力される受信信号の一部はピーク検出回路３７に入力されている。ピーク検出回路３７は主増幅器３４から出力される受信信号の振幅をモニタし、それをモニタ信号としてＡＧＣ回路３８に供給している。ＡＧＣ回路３８は、モニタ信号のレベルに対応した制御信号を生成し、生成した制御信号によってＡＧＣ増幅器３３の利得を制御している。
【０００７】
また、ＡＧＣ回路３８で生成された制御信号はＡＰＤバイアス回路３９にも送られる。ＡＰＤバイアス回路３９では、制御信号に応じたＡＰＤバイアス電圧を生成し、このＡＰＤバイアス電圧でＡＰＤ３１の増倍率Ｍが制御される。
【０００８】
上記したように従来の光受信器では、主増幅器３４から出力される受信信号の電圧振幅がモニタされ、その電圧振幅が一定になるようにＡＰＤ３１の増倍率ＭやＡＧＣ増幅器３３の利得が制御されている。この場合、ＡＰＤ３１の増倍率ＭやＡＧＣ増幅器３３の利得はいずれも、光受信器の受光レベルに応じて変化する構成になっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光受信器に使用されるＡＰＤ３１は、図４の符号Ｐで示すように、周波数応答特性が増倍率Ｍによって変化する性質がある。図４の横軸は周波数ｆ（ＭＨｚ）、縦軸は応答（ｄＢ）を示し、この例の場合、高域遮断周波数は２ＧＨｚ付近になっている。また、増倍率Ｍが２０の場合、増倍率Ｍが１０の場合よりも高域遮断周波数が低くなっている。
【００１０】
また、伝送帯域がＡＰＤ３１の高域遮断周波数よりも十分に低い場合、識別器３５に入力する受信信号のＳ／Ｎを向上させるために、たとえば波形等化回路を挿入し、ＡＧＣ増幅器３３や主増幅器３４における周波数帯域を狭くしている。しかし、伝送帯域がＡＰＤ３１の高域遮断周波数に近くなると、波形等化回路を設けなくても、ＡＰＤ３１のロールオフ特性によって適当な波形等化が得られる。図４のような特性のＡＰＤでは、例えば伝送速度が２．５Ｇｂｐｓ（ＳＴＭ−１６）の場合が該当する。
【００１１】
このように伝送帯域がＡＰＤの高域遮断周波数に近いＧｂｐｓクラスの光受信器になると、ＡＰＤの周波数応答特性によって波形等化が行われる。そして波形等化が行われるような伝送帯域の場合、たとえば光信号の受信レベルが変動するとＡＧＣ回路が働き、ＡＰＤの増倍率Ｍが変化する。その結果、ＡＰＤの高域遮断周波数が変化し、光受信器全体の等化帯域が変動する。
【００１２】
等化帯域の変動による光受信特性への影響は、受信レベルが低くＳ／Ｎが悪い領域で顕著に現れる。したがって、従来の光受信器では、ＡＰＤの増倍率Ｍが高く高域遮断周波数が低下する領域、すなわち、受光レベルがもっとも小さい領域の近くで、最適な等化帯域となるように設定されている。そのため、Ｓ／Ｎがよく等化帯域の影響が少ない高い受光レベルの場合、ＡＰＤの増倍率Ｍが低くなり、高域遮断周波数が高くなって、その等化帯域が最適な場合よりも広くなってしまう。
【００１３】
等化帯域が最適な場合よりも広くなると、光送信波形の立ち上がり部分の緩和振動や、立ち下がり時間の長さが光受信器の側に影響するようになる。例えば、伝送速度が２．５Ｇｂｐｓクラスの場合、光送信器に使用されるレーザーダイオードの動作速度は限界に近くなっている。また、緩和振動の周波数は、普通、数ＧＨｚ以上で、レーザーダイオードの駆動条件や個体差によっては等化帯域に近づき、緩和振動などの影響が現れる。
【００１４】
ここで、緩和振動の周波数と信号波形との関係について図５および図６で説明する。図５および図６の横軸は時間（ｔ）、縦軸は振幅を示している。
【００１５】
図５は緩和振動の周波数が低い場合で、（ａ）は光波形、（ｂ）はｆ0 ×０．７５の等化フィルタを通した後の波形を示している。緩和振動の周波数が低い波形の場合は、波形等化後においても、緩和振動によるオーバーシュート５１が十分減衰せず残っている。
【００１６】
図６は緩和振動の周波数が高い場合で、（ａ）は光波形を示している。緩和振動の周波数が等化帯域よりも高くなり、（ｂ）に示すようにｆ0 ×０．７５の等化フィルタを通した後の波形には、オーバーシュート６１が除去されている。
【００１７】
次に、図５および図６で示された波形等化後の処理について図７で説明する。光受信器の場合、前述したように波形等化後に、受信信号の振幅が一定になるようにＡＧＣが行われる。このとき、図７（ａ）で示すようにオーバーシュート７１が残っていると、そのオーバーシュート７１のピーク値ｐによってＡＧＣが行われる。その結果、アイ開口の中心ｃは下方に移動し、非発光側に寄ったものになる。
【００１８】
図７（ｂ）で示すようにオーバーシュートがない場合、波形は上下対称となる。この場合、ピーク値ｐによってＡＧＣが行われ、アイ開口の中心ｃは波形のほぼ中央付近になる。なお、符号Ｖref は、デジタル信号を識別するしきい値の最適値を示している。
【００１９】
このように同じ等化帯域を持つ光受信器でも、対向する光送信器の光波形によって波形等化後のアイ開口の位置がずれてくる。その結果、識別回路における最適なしきい値Ｖref が、対向する光送信器の光波形によって変化することになる。
【００２０】
この問題を回避するために、対向する光送信器の光波形に対応して、光受信器の識別回路を予め個別に調整する方法が考えられる。しかし、前述したようにＡＰＤの帯域が受光レベルによって変わるため、同じ光送信器の光波形であっても受光レベルにより、図７の場合と同様、アイ開口の中心が波形の中央付近からずれてしまう。
【００２１】
次に、緩和振動の周波数が低いレーザーダイオードの波形を受信したときの波形等化後の模様を図８で説明する。図の（ａ）は受光レベルが高い場合で、ＡＰＤの帯域が広いためオーバーシュートが残っている。図の（ｂ）は受光レベルが低い場合で、ＡＰＤの帯域が狭いためオーバーシュートがなくなっている。
【００２２】
上記したようにＧｂｐｓクラスの光受信器の場合、対向する光送信器の光波形や受光レベルによって等化帯域が変化する。その結果、アイ開口の位置、さらにはデジタル信号を識別するための最適なしきい値が変化し、デジタル信号の識別を最適なしきい値で行えないという問題がある。
【００２３】
本発明は、上記した欠点を解決し、デジタル信号の識別を最適なしきい値で行える光受信器を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光受信器は、デジタル信号で変調された光信号を電気信号に変換し、バイアス電圧によって増倍率が変化するアバランシェフォトダイオードと、このアバランシェフォトダイオードから出力される信号からデジタル信号を識別するためのしきい値を生成する基準信号源と、前記アバランシェフォトダイオードから出力される信号と前記しきい値とを比較し、前記デジタル信号を識別する識別器と、前記アバランシェフォトダイオードから出力される信号より受信信号のピーク値に比例した第１ピーク値を検出する第１ピーク検出回路と、この第１ピーク検出回路で検出される第１ピーク値をもとに、前記バイアス電圧を制御するための制御信号を生成し、前記アバランシェフォトダイオードに加える自動利得制御回路とを備えた光受信器であって、前記アバランシェフォトダイオードから出力される信号が与えられ、オーバーシュートをカットするようなカットオフ周波数が設定された低域通過フィルタと、この低域通過フィルタで抽出される低い周波数成分のピーク値に比例した第２ピーク値を検出する第２ピーク検出回路と、前記第１ピーク検出回路で検出される第１ピーク値（ＶＰ１）と前記第２ピーク検出回路で検出される第２ピーク値（ＶＰ２）との第１の差（ＶＰ１−ＶＰ２）を検出し、前記第１の差に応じた値を前記しきい値から減算したしきい値を用いて、前記識別器における前記識別を行うことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態について図１の回路構成図を参照して説明する。符号Ｓは外部から送られてくる光信号で、光信号Ｓは光電変換素子たとえばＡＰＤ１１で受信され電流に変換される。電流に変換され受信信号は前置増幅器１２で電圧に変換される。前置増幅器１２で電圧に変換された受信信号は、さらに、ＡＧＣ増幅器１３および主増幅器１４で所定の振幅に増幅される。所定の振幅に増幅された受信信号は主増幅器１４から識別器１５の一方の入力端Ａに加えられる。
【００２６】
識別器１５の他方の入力端Ｂには、デジタル信号を識別するための基準電圧、いわゆるしきい値Ｖref が基準電圧源１６から供給されている。そして、識別器１５では、主増幅器１４から送られてくる受信信号としきい値Ｖref との大きさを比較し、デジタル信号を識別している。
【００２７】
また、主増幅器１４から出力された受信信号の一部は第１ピーク検出回路１７に送られている。第１ピーク検出回路１７は、主増幅器１４から出力される受信信号のピーク値に比例したピーク値ＶＰ１を出力する。このピーク値ＶＰ１はＡＧＣ回路１８と、差動増幅器１９の一方の入力端Ａにそれぞれ供給される。
【００２８】
ＡＧＣ回路１８では、ピーク値ＶＰ1 に対応した制御信号を生成し、この制御信号によってＡＧＣ増幅器１３の利得が制御される。また、ＡＧＣ回路１８で生成された制御信号の一部はＡＰＤバイアス回路２０に供給され、ＡＰＤバイアス回路２０において、制御信号に対応したバイアス電圧に変換される。そして、このバイアス電圧によってＡＰＤ１１の増倍率が制御される。
【００２９】
上記したようにＡＧＣ増幅器１３の利得やＡＰＤ１１の増倍率が制御され、主増幅器１４から出力される受信信号の振幅が一定になるように制御されている。また、主増幅器１４から出力される受信信号の一部は低域通過フィルタ２１（以下ＬＰＦという）に加えられている。ＬＰＦ２１は、受信信号の中から低い周波数成分を抽出し、第２ピーク検出回路２２に送っている。第２ピーク検出回路２２は、ＬＰＦ２１で抽出された低い周波数成分のピーク値に比例した電圧値ＶＰ２を出力し、そのピーク値ＶＰ２を差動増幅器１９の他方の入力端Ｂに加えている。
【００３０】
差動増幅器１９では、第１ピーク検出回路１７から出力されたピーク値ＶＰ１と第２ピーク検出回路２２から出力されたピーク値ＶＰ２との差電圧ΔＶ（ΔＶ＝ＶＰ１−ＶＰ２）を検出し、検出した差電圧ΔＶを振幅調整回路２３に送っている。振幅調整回路２３は、差電圧ΔＶに対して所定の倍率を掛け算し、差電圧ΔＶを所定レベルに変換している。そして、所定レベルに変換された差電圧ΔＶ分が基準電圧源１６から出力されるしきい値から減算される。そして、差電圧ΔＶ分の減算された電圧がしきい値Ｖref として識別器１５に供給される。
【００３１】
ここで、上記した構成の光受信器の動作について図２を参照して説明する。図２は主増幅器１４から出力される受信信号の波形を示し、横軸は時間（ｔ）、縦軸はピーク値を示している。
【００３２】
図２（ａ）は、受光レベルが低い場合で、ＡＰＤ１１の帯域が狭いため光送信器の緩和振動の影響がなく、オーバーシュートがなくなっている。また、帯域は波形等化の最適値となり、光送信器の緩和振動の周波数成分が通過せず、出力波形にオーバーシュートが発生しない。
【００３３】
この場合、第１ピーク検出回路１７では、波形のピーク値ＶＰ１が検出され、このピーク値ＶＰ１によってＡＧＣが行われる。また、識別器１５においてデジタル信号を識別するためのしきい値Ｖref は波形振幅の中央付近ｃが最適値であり、しきい値Ｖref は波形振幅の中央付近に設定される。
【００３４】
また、ＬＰＦ２１のカットオフ周波数はオーバーシュートをカットするように設定されている。したがってオーバーシュートがなく、第２のピーク検出回路２２で検出されるピーク値ＶＰ２は、第１ピーク検出回路１７で検出されたピーク値ＶＰ１と等しくなる。このとき、２つのピーク値ＶＰ１、ＶＰ２の差電圧ΔＶを出力する差動増幅器１９からの出力は０となる。このため、アイ開口の中央付近、すなわち波形振幅の中央付近の最適値に設定された基準電圧源１６のしきい値Ｖref がそのまま識別器１５に与えられる。
【００３５】
図２（ｂ）は、受光レベルが高い場合で、ＡＰＤ１１の帯域が広くなり、光送信器の緩和振動の影響が現れ、オーバーシュート３０が発生している。また、帯域は波形等化の最適値よりも広がり、その結果、光送信器の緩和振動の周波数成分が通過し、出力波形にオーバーシュートが発生する。
【００３６】
この場合、第１のピーク検出回路１７で検出されるピーク値ＶＰ１によってＡＧＣが行われ、点線で示すように、オーバーシュートによってアイ開口が抑圧される。このとき、デジタル信号を識別するための最適なしきい値Ｖref1は、アイ開口が抑圧される前の波形におけるピーク値の中央、つまり図２（ａ）のＶ refに対応した大きさＶref2（Ｖ ref2 ＝Ｖ ref ）よりも下側に偏ったものになる。その結果、アイ開口が抑圧される前に設定されたしきい値Ｖ ref （Ｖ ref ＝Ｖ ref2 ）は、アイ開口が抑圧された状態の最適値（Ｖ ref1 ）からずれてしまう。
【００３７】
なお、この場合、第２のピーク検出回路２２において、ＬＰＦ２１でオーバーシュートがカットされた部分の振幅からピーク値ＶＰ２が検出される。そして、第１ピーク検出回路１７で検出されたピーク値ＶＰ１と第２のピーク検出回路２２で検出されたピーク値ＶＰ２の差電圧ΔＶ（ΔＶ＝ＶＰ１−ＶＰ２）が差動増幅器１９から出力される。この差電圧ΔＶは振幅調整回路２３で適当な倍率ａが掛け算され、基準電圧源１６から出力されるしきい値から差電圧ΔＶ分が減算される。この場合、識別器１５に供給されるしきい値Ｖref1はオーバーシュートに比例したΔＶ×ａ（ａは倍率）だけＶref2よりも低くなる。そのため、オーバーシュートによってアイ開口が抑圧されても、デジタル信号の識別は、アイ開口の中央付近すなわち最適なしきい値で行われる。
【００３８】
上記した構成によれば、入力波形に対向する光送信器の緩和振動などによりオーバーシュートが現れ、デジタル信号を識別するためのしきい値の最適値が変化しても、しきい値は最適値に設定される。また、オーバーシュートが現れない場合は、しきい値は最適値のまま維持される。したがって、対向する光送信器の光波形や受光レベルの変化に関係なく、デジタル信号を最適なしきい値で識別できる光受信器が実現される。
【００３９】
なお、上記した実施形態では、差動増幅器から出力される差電圧ΔＶ分を基準電圧源から出力されるしきい値から減算している。しかし、差動増幅器において、第２ピーク検出回路で検出されたピーク値から第１ピーク検出回路で検出されたピーク値を引き算する場合には、基準電圧源から出力されるしきい値に対し差電圧ΔＶ分が加算される。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、デジタル信号を最適なしきい値で識別できる光受信器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明するための回路構成図である。
【図２】本発明の動作を説明するための波形図である。
【図３】従来例を説明するための回路構成図である。
【図４】ＡＰＤの周波数応答特性を説明するための特性図である。
【図５】従来例を説明するための波形図である。
【図６】従来例を説明するための波形図である。
【図７】従来例の動作を説明するための波形図である。
【図８】従来例の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１１…ＡＰＤ
１２…前置増幅器
１３…ＡＧＣ増幅器
１４…主増幅器
１５…識別器
１６…基準電圧源
１７…第１ピーク検出回路
１８…ＡＧＣ回路
１９…差動増幅器
２０…ＡＰＤバイアス回路
２１…ＬＰＦ
２２…第２ピーク検出回路
２３…振幅調整回路

Claims (3)

1. デジタル信号で変調された光信号を電気信号に変換し、バイアス電圧によって増倍率が変化するアバランシェフォトダイオードと、このアバランシェフォトダイオードから出力される信号からデジタル信号を識別するためのしきい値を生成する基準信号源と、前記アバランシェフォトダイオードから出力される信号と前記しきい値とを比較し、前記デジタル信号を識別する識別器と、前記アバランシェフォトダイオードから出力される信号より受信信号のピーク値に比例した第１ピーク値を検出する第１ピーク検出回路と、この第１ピーク検出回路で検出される第１ピーク値をもとに、前記バイアス電圧を制御するための制御信号を生成し、前記アバランシェフォトダイオードに加える自動利得制御回路とを備えた光受信器であって、前記アバランシェフォトダイオードから出力される信号が与えられ、オーバーシュートをカットするようなカットオフ周波数が設定された低域通過フィルタと、この低域通過フィルタで抽出される低い周波数成分のピーク値に比例した第２ピーク値を検出する第２ピーク検出回路と、前記第１ピーク検出回路で検出される第１ピーク値（ＶＰ１）と前記第２ピーク検出回路で検出される第２ピーク値（ＶＰ２）との第１の差（ＶＰ１−ＶＰ２）を検出し、前記第１の差に応じた値を前記しきい値から減算したしきい値を用いて、前記識別器における前記識別を行うことを特徴とする光受信器。
2. デジタル信号で変調された光信号を電気信号に変換し、バイアス電圧によって増倍率が変化するアバランシェフォトダイオードと、このアバランシェフォトダイオードから出力される信号を増幅する自動利得制御増幅器と、この自動利得制御増幅器から出力される信号からデジタル信号を識別するためのしきい値を生成する基準信号源と、前記自動利得制御増幅器から出力される信号と前記しきい値とを比較し、前記デジタル信号を識別する識別器と、前記自動利得制御増幅器から出力される信号より第１ピーク値を検出する第１ピーク検出回路と、この第１ピーク検出回路で検出される第１ピーク値をもとに、前記バイアス電圧および前記自動利得制御増幅器の利得をそれぞれ制御するための制御信号を生成し、それぞれ前記アバランシェフォトダイオード及び前記自動利得制御増幅器に加える自動利得制御回路とを備えた光受信器であって、前記自動利得制御増幅器から出力される信号が与えられ、オーバーシュートをカットするようなカットオフ周波数が設定された低域通過フィルタと、この低域通過フィルタで抽出される低い周波数成分のピーク値に比例した第２ピーク値を検出する第２ピーク検出回路と、前記第１ピーク検出回路で検出される第１ピーク値（ＶＰ１）と前記第２ピーク検出回路で検出される第２ピーク値（ＶＰ２）との第１の差（ＶＰ１−ＶＰ２）を検出し、前記第１の差に応じた値を前記しきい値から減算したしきい値を用いて、前記識別器における前記識別を行うことを特徴とする光受信器。
3. 差検出回路が差動増幅器であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光受信器。

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