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JP7493992B2 - Optical receiving device - Google Patents
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JP7493992B2 - Optical receiving device - Google Patents

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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。 The present invention relates to an optical receiving device for a system applied to optical communications, and in particular to a device that converts high-speed optical signals with a transmission speed exceeding 1 Gbps into electrical signals in a system that uses a large-diameter plastic optical fiber with a core diameter of approximately 980 μm as the transmission medium.

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。 A conventional optical receiver is shown in Figure 6. An optical receiver that achieves a transmission speed of over 1 Gbps is composed of a wideband light receiving element 9 with sufficient margin for the transmission speed, a transimpedance type amplifier circuit 10, and a limiter amplifier 14. The light receiving element 9 mounted on a conventional optical receiver employs a GaAs or InGaAs pin photodiode (Pin-PD) to match the wavelengths of the LD light source used, 850 nm, 1310 nm, and 1550 nm. In either case of the material, the light receiving diameter is reduced from 50 μm to 80 μm to ensure the desired bandwidth in order to keep the total capacitance, which is the combination of the junction capacitance Cj and the parasitic capacitance Cs of the package, below 1 pF.

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。 In more detail, the bandwidth of the pin photodiode (Pin-PD) is limited by the sum of the junction capacitance Cj and the parasitic capacitance Cs caused by the package, and the junction capacitance Cj changes in proportion to the area of the light receiving area. Therefore, if the light receiving diameter is reduced, the junction capacitance Cj will be reduced, resulting in wideband characteristics. On the other hand, the optical fibers that have been used in receivers exceeding 1 Gbps in the past generally use multimode optical fibers with a core diameter of 50 μm and single mode optical fibers with a core diameter of 10 μm. The light emitted from an optical fiber with a core diameter of 50 μm has a beam diameter of approximately 50 μm at the output end, and when this is coupled to a light receiving element, a lens system with an image magnification of 1:1 has been generally used in the past. Therefore, the beam diameter when coupled to the light receiving surface of the light receiving element becomes 50 μm, and all of the incident light fits within the light receiving area. In the case of 80 μm, there is even more room for coupling, but the junction capacitance Cj increases as the light receiving diameter increases, and the bandwidth characteristics are inferior to those of 50 μm.

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。 Furthermore, the transimpedance amplifier circuit 10 installed in the conventional optical receiving device is optimized for the required transimpedance gain, band characteristics, and noise characteristics, taking into account the junction capacitance Cj + parasitic capacitance Cs of the light receiving element 9.

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。 As mentioned above, optical transmission systems exceeding 1 Gbps generally use a multimode optical fiber with a quartz core and a core diameter of 50 μm, or a single mode optical fiber with a core diameter of 10 μm, as the transmission medium. In this case, when the light emitted from each optical fiber is coupled to the light receiving element 9, a simple lens system with a lens image magnification of approximately 1:1 can fit the light within the light receiving diameter of the light receiving element 9, and the optical coupling system is designed so that excessive coupling loss does not occur. In addition, in conventional optical receiving devices, a low-cost ball lens integrated with the sealing glass window of the TO-CAN package is widely used.

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。 Recently, systems that apply light to communication have expanded from optical communication systems that support public networks to applications that require noise resistance and high bandwidth. In particular, for computer numerical controls that control robots, which are essential for factory automation, servo pumps, and programmable controllers, systems that apply light to the transmission of control signals have long been popular, with an emphasis on noise resistance.

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。 Conventionally, a transmission speed of about 150 Mbps was sufficient for this type of system, and so acrylic resin-based step-index plastic optical fiber with a core diameter of 980 μm was widely used. However, while this acrylic resin-based plastic optical fiber is easy to connect due to its large core diameter, its bandwidth is narrow at about 5 MHz/km, so there was a risk that a 150 Mbps signal would not be transmitted at a distance of about 20 m due to the bandwidth limitations.

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。 Therefore, when transmission up to about 100 m was required within a factory, step-index (SI) or graded-index (GI) hard plastic clad optical fiber with a core diameter of 200 μm, consisting of a quartz core and plastic cladding, was used.

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。 Furthermore, conventional optical receiving devices use silicon pin photodiodes as the light receiving element 9 to match the 650 nm wavelength band of the light source, and silicon pin photodiodes with a light receiving diameter of 500 to 600 μm are used as the light receiving element 9 to ensure sufficient bandwidth characteristics at a transmission speed of 150 Mbps.

特になしnothing special

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。 Incidentally, in recent years, the progress of IoT in factories has been remarkable, and robot control has also evolved from an independent form for each production process to a form connected via a field network, and various sensors are being installed to monitor the operating status of robots and detect faults in real time.

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。 As the amount of information flowing through field networks increases, there is a demand for faster field networks, and it is hoped that the signal speed, which was previously around 150 Mbps, will be increased to a transmission speed of over 1 Gbps. On the other hand, since it will be necessary to coexist with conventional devices, there is also an essential demand for intercommunication with 150 Mbps systems that use conventional plastic optical fibers with a core diameter of 980 μm.

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。 Optical transmitters and receivers, which are widely used in computer numerical control, servo amplifiers, programmable controllers, etc., are equipped with an LED light source with a wavelength of 650 nm and a silicon pin photodiode light receiving element, and are each composed of an LSI that drives the LED and an LSI for the light receiving circuit.

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。 In addition, conventional optical transmitters and receivers are used in combination with a plastic optical fiber with a core diameter of 980 μm, or a hard plastic clad optical fiber with a core diameter of 200 μm, either step-index type (SI) or graded-index type (GI), as the transmission medium. When a conventional optical receiver of over 1 Gbps is inserted into a field network based on a plastic optical fiber with a core diameter of 980 μm, or a hard plastic clad optical fiber with a core diameter of 200 μm, either step-index type or graded-index type, the optical receiver equipped with an InGaAs-based pin photodiode (PIN-PD) as a light receiving element cannot be used because it has almost no light receiving sensitivity in the 650 nm band. On the other hand, optical receivers equipped with GaAs-based pin photodiodes (Pin-PDs) have inferior light receiving sensitivity in the 650 nm band compared to receivers equipped with Si-based pin photodiodes (Pin-PDs). At the same time, due to a coupling system with a light receiving diameter of 50 μm and an image magnification of approximately 1:1, most of the incident light falls outside the light receiving area, causing excess loss of about 10 to 20 dB in the optical coupling system, resulting in a level below the minimum reception level and preventing the optical receiver from operating normally.

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:Numerical Aperture)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。 That is, conventionally, optical fibers used in field networks for FA equipment are plastic optical fibers with a core diameter of 980 μm, or hard plastic clad optical fibers with a core diameter of 200 μm, either step index type (SI) or graded index type (GI). When light is input from an optical fiber with a core diameter of 980 μm or 200 μm to a light receiving module with a coupling system of 1:1 image magnification, assuming the use of an optical fiber with a core diameter of 50 μm or 10 μm, excess loss occurs because the outgoing light from the optical fiber cannot be entirely contained within the numerical aperture NA (Numerical Aperture) of the lens at the input end of the lens. At the same time, because the image magnification is 1:1, the beam diameter on the light receiving surface is 980 μm or 200 μm, which is outside the light receiving area, and this results in large excess loss. In other words, a 980 μm or 200 μm circular beam is received by a 50 μm light receiving area, so most of the signal light ends up outside the light receiving area.

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。 The present invention has been devised in consideration of the various circumstances that existed in the past as described above, and aims to provide an optical receiving device that can communicate with an optical transmitting device equipped with a conventional 650 nm band light source at an operating speed of 150 Mbps or less, and that can transmit the optical output signal of the optical transmitting device through a plastic optical fiber with a core diameter of 980 μm, or a step-index type (SI) or graded-index type (GI) hard plastic clad optical fiber with a core diameter of 200 μm.

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。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an optical receiving device that is composed of a photodetector that converts an input optical signal into an electrical signal, a transimpedance amplifier circuit that converts the photocurrent output from the photodetector into a voltage signal with low noise and amplifies it, and a limiter amplifier that amplifies the output of the transimpedance amplifier circuit and has the function of distinguishing between 0 level and 1 level of the signal at a predetermined level, and the photodetector is mounted in a package together with the chip of the transimpedance amplifier circuit, forms an optical receiving module equipped with a lens barrel, and has the function of converting an optical signal input from an optical fiber with a core diameter of about 980 μm into an electrical signal.

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。 The light receiving element is characterized by having an effective light receiving area optimized to ensure the necessary bandwidth even when an optical signal of 1 Gbps or more is input from an optical fiber with a core diameter of approximately 980 μm, and a light blocking mask for coupling leakage light.

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。 The lens barrel that constitutes the optical receiving module comprises a sleeve into which an optical fiber is inserted and an aspherical lens, and the aspherical lens is optimized to tolerate a coupling loss of about 2 to 4 dB for signals input from an optical fiber with a core diameter of about 980 μm, and the lens barrel is adhesively fixed to the TO-CAN package without any alignment.

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。 The lens barrel is characterized by the fact that when an optical signal is input via an optical fiber with a core diameter of 200 μm or less, the coupling loss is nearly zero.

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。 According to the present invention, the optical receiver 18 can achieve stable reception at operating speeds exceeding 1 Gbps, regardless of whether the transmission medium is a plastic optical fiber 7 with a core diameter of 980 μm, or a step-index type (SI) or graded-index type (GI) hard plastic clad optical fiber with a core diameter of 200 μm. At the same time, stable transmission characteristics can be guaranteed even when facing an optical transmitter that uses a 650 nm band LED as a light source, which is widely used in conventional FA equipment, and an effective communication means can be provided even when updating existing FA systems.

(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。1A is an overall explanatory diagram of an optical receiving device showing one embodiment of the present invention, and FIG. 規格化受信帯域と最小受信感度の関係を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between a standardized reception band and a minimum reception sensitivity. 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。11 is a diagram showing the relationship between the capacitance of a light receiving element and a 3 dB drop band of a receiving circuit. 受光径と容量の関係を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the light receiving diameter and the capacity. 受光素子の容量と最小受信感度を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the capacitance and minimum receiving sensitivity of a light receiving element. 従来例の光受信装置を示す全体説明図である。FIG. 1 is an overall explanatory diagram showing a conventional optical receiving device.

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。
An optical receiving device according to an embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.
In this embodiment, as shown in FIG. 1, in the optical receiving device 18, an optical signal input to the light receiving module 5 via a plastic optical fiber 7 with a core diameter of 980 μm or a step index type (SI) or graded index type (GI) hard plastic clad optical fiber 8 with a core diameter of 200 μm is coupled to the light receiving element 1 via a lens barrel 17. This light receiving element 1 has an optimized effective light receiving area 1A described later, and a light shielding mask 1B made of resin or metal arranged on its outer periphery. The photocurrent photoelectrically converted by the light receiving element 1 is amplified by the transimpedance type amplifier circuit 2 and input to the limiter amplifier 6 connected in the subsequent stage, and the signal amplified inside the limiter amplifier 6 is output by determining the 0 level or 1 level of the input digital signal by the discrimination function of the limiter amplifier 6. In this embodiment, the transimpedance type amplifier circuit 2 and the limiter amplifier 6 are AC-coupled, but it is also possible to integrate both circuits on one chip and use DC-coupling.

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。 Figure 2 is a graph that shows a schematic relationship between the reception band normalized by the signal speed and the minimum reception sensitivity (Pr). Generally, the optimum value for the minimum reception sensitivity (Pr) is determined based on the relationship between noise and the band. Usually, the reception band is set at about 0.75 times the signal speed B, as a point where inter-symbol interference and the signal-to-noise ratio (S/N) are balanced. If the reception band is narrower than this, the signal-to-noise ratio S/N improves, but the inter-symbol interference due to insufficient reception band becomes the dominant factor and the minimum reception sensitivity deteriorates. Conversely, if the reception band is wider than 0.75 x B, the signal-to-noise ratio S/N deteriorates and the minimum reception sensitivity deteriorates.

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。
In other words, if the bandwidth of the receiving circuit is lowered, the response characteristics will be such that the pulse "1" does not rise all the way up, and the pulse "0" does not fall all the way down. Incidentally, the narrowing of the eye pattern opening in the amplitude direction at this time is generally called inter-symbol interference. On the other hand, if the bandwidth of the receiving circuit is extended, noise components over a wide band will be superimposed on the signal, lowering the signal-to-noise ratio (S/N) and causing degradation of receiving sensitivity.
Figure 2 shows a schematic diagram of the degradation of receiver sensitivity due to the above factors. When the receiving band is narrower than 0.75 x B, inter-symbol interference becomes the dominant factor, causing degradation of receiver sensitivity, and conversely, when the receiving band is wider than 0.75 x B, degradation of the signal-to-noise ratio (S/N) becomes the dominant factor, causing degradation of receiver sensitivity. The point with the smallest penalty in Figure 2 is the optimal receiving band where both are balanced, and is generally taken to be 0.75 times the signal speed.

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。 Conventionally, optical receiving circuits that have been applied to optical communication devices of 1 Gbps or more use multimode optical fiber (quartz core) with a core diameter of 50 μm for short distance applications, and single mode optical fiber (quartz core) with a core diameter of 10 μm for long distance applications.

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。 As shown in Figure 6, in the conventional optical receiving device 19, in order to optimize the receiving band to about 0.75 x B as mentioned above, the light receiving diameter of the light receiving element 9 is reduced to 50 μm to 80 μm, and the junction capacitance Cj of the light receiving element 9 and the parasitic capacitance Cs of the light receiving element package are reduced, so that the desired receiving band can be obtained.

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。 The light receiving module 13 mounted on the conventional optical receiving device 19 is connected to a multimode optical fiber with a core diameter of 50 μm in combination with an optical fiber with the largest core diameter, so the lens for focusing the input signal light to the light receiving element 9 generally uses a ball lens 12 with an image magnification set to around 1. Since the light receiving diameter of the light receiving element 9 is 50 μm to 80 μm, it is possible to couple all the input light to the light receiving area, and the configuration is such that the occurrence of excess loss in the optical coupling system can be suppressed to almost zero.

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。 On the other hand, the optical receiving device 18 of this embodiment shown in Figure 1 aims to operate stably at a transmission speed of more than 1 Gbps when a plastic optical fiber 7 with a core diameter of 980 μm or a hard plastic clad optical fiber 8 with a core diameter of 200 μm of step index type (SI) or graded index type (GI) is used as the optical fiber, which is the transmission medium.

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。 The bandwidth of the optical receiving circuit 3, which is a combination of a light receiving element 1 and a transimpedance type amplifier circuit 2 that converts the photocurrent converted by the light receiving element 1 into a voltage signal, is determined by the junction capacitance Cj of the light receiving element 1, the parasitic capacitance Cs parasitic to the package of the light receiving element 1, and the transimpedance Zt, as described above. The transimpedance Zt is selected so as to be an optimal value based on the transmission speed and the target minimum receiving sensitivity (Pr). The bandwidth of the optical receiving circuit 3 at this time is (1/2) x {GBW/π(Cj + Cs) Zt} 1/2 , where GBW indicates the gain bandwidth product. Therefore, in order to extend the bandwidth of the optical receiving circuit 3, it is effective to lower the transimpedance Zt or to reduce the junction capacitance Cj + parasitic capacitance Cs, but since the transimpedance is uniquely determined by a value required to obtain the desired receiving sensitivity, it is necessary to reduce the junction capacitance Cj.

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。 Figure 3 shows an example of the change in 3 dB drop in bandwidth of an optical receiving circuit designed to operate at 1.25 Gbps when the transimpedance Zt is kept constant and the junction capacitance Cj + parasitic capacitance Cs is changed. The points indicated by black circles in the figure correspond to 0.75 times the signal speed, which is generally considered to be the optimal point for the receiving band. From Figure 3, it can be seen that a junction capacitance Cj + parasitic capacitance Cs of around 0.8 pF is the optimal value for junction capacitance Cj + parasitic capacitance Cs when operating at 1.25 Gbps.

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。 On the other hand, the junction capacitance Cj + parasitic capacitance Cs changes when the light receiving diameter of the light receiving element 1 is changed. Strictly speaking, the parasitic capacitance Cs caused by the package of the light receiving element 1 is a constant value, but the junction capacitance Cj changes depending on the value of the reverse bias applied to the light receiving element 1. Figure 4 shows the change when a sufficient reverse bias is applied to the point where the bias dependence of the junction capacitance Cj is almost saturated.

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。 The minimum receiving sensitivity Pr is highly dependent on the bandwidth characteristics of the optical receiving circuit 3, and the minimum receiving sensitivity Pr deteriorates when the bandwidth is 0.75 times or less than the signal speed B. In other words, as mentioned above, when the receiving bandwidth becomes narrow, the opening of the eye pattern in the amplitude direction becomes narrower, which causes the receiving sensitivity to deteriorate.

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。 Next, Figure 5 shows the results of measuring the minimum receiving sensitivity Pr for various junction capacitances Cj + parasitic capacitances Cs with a constant transimpedance Zt at a signal speed of 1.25 Gbps. When the junction capacitance Cj + parasitic capacitance Cs exceeds 0.8 pF and falls below the required bandwidth of the optical receiving circuit 3 of 0.75 x B, the minimum receiving sensitivity Pr deteriorates. In this embodiment, we aimed to achieve a minimum receiving sensitivity Pr of approximately -22 dBm at an operating speed of 1.25 Gbps.

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。 From Figure 5, it can be seen that the desired minimum receiving sensitivity Pr can be achieved when the junction capacitance Cj + parasitic capacitance Cs is about 1.4 pF to 1.5 pF. This junction capacitance Cj + parasitic capacitance Cs of 1.5 pF corresponds to a light receiving diameter of the light receiving element 1 of about 260 μm, as shown in Figure 4.

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。 To reduce to almost zero the excess loss associated with the optical coupling system of the signal input to the light receiving module 5 via a hard plastic clad optical fiber 8 of step index type (SI) or graded index type (GI) with a core diameter of 200 μm, the image magnification of the lens should be set to approximately 1x so that all of the optical signal input from the hard plastic clad optical fiber 8 to the light receiving module 5 fits within the receiving diameter.

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:Numerical Aperture)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。 That is, as described in this embodiment, when the light receiving diameter is set to around 260 μm, the beam diameter at the fiber output end of a step index type (SI) or graded index type (GI) hard plastic clad optical fiber with a core diameter of 200 μm is 200 μm, so if all the light is taken into the lens by the lens numerical aperture NA (Numerical Aperture) and the image magnification is set to 1:1, an image will be formed on the light receiving surface as a beam diameter of 200 μm, which is smaller than the light receiving diameter of 260 μm. In this case, all of the optical signals input to the light receiving element are coupled onto the light receiving surface, so there is no excess loss.

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。 On the other hand, when combined with a plastic optical fiber 7 with a core diameter of 980 μm, a large excess loss occurs. In this embodiment, by changing from the ball lens 12 generally used in the conventional example to the aspherical lens 4 of the lens barrel 17, the aspherical lens 4 was optimized so that the excess loss when combined with an optical fiber with a core diameter of 200 μm is almost zero, and the excess loss when combined with an optical fiber with a core diameter of 980 μm is 2 to 4 dB. Incidentally, when connected via a plastic optical fiber 7 with a core diameter of 980 μm, even if the aspherical lens 4 is used, not all of the input light enters the effective light receiving area, so it leaks outside the light receiving area. As a result, when the leaked light is photoelectrically converted outside the effective light receiving area of the light receiving element 1, it is converted into an electrical signal as a component with a very slow response, resulting in noise.

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。 In this invention, in order to eliminate factors that impede high-speed operation, a light-shielding mask 1B made of resin or metal is provided around the periphery of the effective light-receiving area 1A to prevent this. As a result, at an operating speed of 1.25 Gbps, a minimum receiving sensitivity of -22 dBm has been achieved when combined with an optical fiber with a core diameter of 200 μm, and a minimum receiving sensitivity of -18 dBm has been achieved when combined with an optical fiber with a core diameter of 980 μm.

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
1 Light receiving element 1A Effective light receiving area 1B Light shielding mask 2 Transimpedance type amplifier circuit 3 Light receiving circuit 4 Aspheric lens 5 Light receiving module 6 Limiter amplifier 7 Plastic optical fiber 8 Step index type hard plastic clad optical fiber and graded index type hard plastic clad optical fiber 9 Light receiving element 10 Transimpedance type amplifier circuit 11 Light receiving circuit 12 Ball lens 13 Light receiving module 14 Limiter amplifier 15 Multimode optical fiber 16 Single mode optical fiber 17 Lens barrel 18 Optical receiving device 19 Optical receiving device

Claims (3)

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。 An optical receiving device comprising a photodetector that converts an input optical signal into an electrical signal, a transimpedance amplifier circuit that converts and amplifies a photocurrent output from the photodetector into a voltage signal with low noise, and a limiter amplifier that amplifies the output of the transimpedance amplifier circuit and has a function of distinguishing between 0 level and 1 level of the signal at a predetermined level, wherein the photodetector is mounted in a package together with a chip of the transimpedance amplifier circuit to constitute an optical receiving module equipped with a lens barrel, the lens barrel constituting the optical receiving module comprising a sleeve for inserting an optical fiber and an aspherical lens, the aspherical lens being optimized to tolerate a coupling loss of about 2 to 4 dB for a signal input from an optical fiber having a core diameter of about 980 μm, the lens barrel being adhesively fixed to a TO-CAN package without alignment, and the optical receiving device having a function of converting an optical signal input from an optical fiber having a core diameter of about 980 μm into an electrical signal. 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。 The optical receiving device according to claim 1, characterized in that the light receiving element is provided with an effective light receiving area optimized to ensure the necessary bandwidth even when an optical signal of 1 Gbps or more is input from an optical fiber with a core diameter of about 980 μm, and a light shielding mask for coupling leakage light. 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。 2. The optical receiving device according to claim 1 , wherein the lens barrel is configured such that a coupling loss becomes substantially zero when an optical signal is input via an optical fiber having a core diameter of 200 [mu]m or less.
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