CN101326692A - 光发送电路 - Google Patents

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Abstract

一种光发送电路，包括：如VCSEL(垂直空腔表面发射激光器)那样的在低温时和在高温时具有不同的温度特性的发光元件(10)；为了驱动发光元件(10)，其源极相互耦合、其漏极分别与发光元件(10)和电源连接的差动的开关晶体管(M1、M2)；提供偏流的偏流源(11)；提供调制电流的调制电流源(12)；以及用于控制偏流源(11)和调制电流源(12)的电流，以补偿发光元件(10)在低温时和在高温时这两种情况下的温度特性的温度补偿电流源(20)。

Description

光发送电路
技术领域
本发明涉及带APC(Automatic Power Control)功能的光发送电路。
背景技术
近年来，伴随着因特网的普及，对高速大容量数据通信的要求正日益高涨。其中，高速性优异的光传输系统正受到关注，开发正在积极地进行。一般而言，在光传输系统中所使用的光发送电路中，采用了将激光二极管(LD)或发光二极管(LED)用作发光元件的驱动电路。但是，激光二极管或发光二极管具有较大的温度依存性，温度越高阈值电流越大，存在电流-光转换效率变小这样的问题。为此，在从驱动电路经常输出恒定电流的情况下，产生了温度导致转换后的光输出功率发生变化，尤其是高温时光输出功率变小这样的问题。并且，在阈值电流以下的电流不发光，因此当偏流(输出电流的L电平)小于激光二极管的阈值电流时，还产生占空因数(dutyfactor)劣化的问题。
因此，以往作为用于经常输出恒定的光输出功率，稳定通信特性的对策，使用了如下的2种方法：使用热敏电阻等判断温度，进行前馈控制(feedforward)使得成为依存于预先设定好的温度的电流值的方法；利用MPD(监视器用光敏二极管)监视激光二极管的输出，进行反馈控制使得在MPD中流过的电流经常为固定值的方法。在以低成本化为目标的情况下，一般使用前馈控制，该前馈控制能削减MPD的成本，削减反馈系统电路，并且能大幅减小芯片面积。
根据某现有技术，由以晶体管的差动对构成的电流驱动电路、在激光二极管中流过DC偏流(bias current)的偏压电路、根据环境温度控制在偏压电路中流过的偏流的偏流温度补偿电路、根据环境温度对激光二极管的驱动电流进行控制的驱动电流温度补偿电路、以及减法电路来构成带温度补偿电路的激光二极管驱动电路，成为利用内部的热敏电阻和二极管的温度特性，温度越高增幅越大偏流和驱动电流，使得发送时的光输出功率经常能保持为固定值的前馈结构(参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开平10-284791号公报
发明内容
但是近年来，制造了垂直空腔表面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser：VCSEL)，开始实施取代激光二极管、发光二极管而使用VCSEL的光传输。VCSEL是可靠性高、高速驱动、可大规模阵列化并且由于可大量生产而能低成本化的发光元件之一。但是，VCSEL也具有较大的温度依存性。并且，其温度特性与激光二极管和发光二极管不同，进行如下那样的特有的动作：在某阈值温度之前光输出功率相对于温度而单调减少，当超过某阈值温度时，光输出功率相对于温度而单调增加。
因此，在上述现有技术中，由于是输出电流相对于温度而单调增加的结构，因此能补偿激光二极管、发光二极管等发光元件的温度特性，但是不能补偿VCSEL特有的温度特性。
另外，考虑到今后在手机、AV设备等民用设备用途及车内网络等车载设备用途上使用光传输，则在-40～85℃这样的宽的温度范围内的温度补偿将必不可少，在那种情况下，认为有必要对VCSEL的特别的温度特性整体进行补偿。
本发明的目的在于提供一种光发送电路，该光发送电路对VCSEL那样的发光元件所具有的特别的温度特性进行补偿，使输出光功率经常保持为固定值。
为了解决上述问题，本发明的光发送电路采用如下结构，该结构包括：在低温时和在高温时具有不同的温度特性的发光元件；为了驱动该发光元件，其源极相互耦合、其漏极分别连接在发光元件和电源上的差动的开关晶体管；向发光元件提供偏流的偏流源；向发光元件流出调制电流的调制电流源；以及用于控制偏流源和调制电流源的电流，以补偿发光元件低温时和高温时这两方的温度特性的温度补偿电流源。
根据本发明，即使是在使用如VCSEL那样在高温时和低温时具有不同的温度特性的发光元件时，也能在全部的温度范围内对发光元件的温度特性进行补偿，其结果是能够经常以恒定的光功率进行数据传输，因此能构建稳定的光通信系统。
附图说明
图1表示本发明的光发送电路的结构例的电路图。
图2A是表示以温度为参数的图1中的发光元件的光功率对电流特性的图。
图2B是表示图1中的发光元件的电流对温度特性的图。
图3是表示本发明的光发送电路的另一结构例的电路图。
图4是表示图1和图3中的第一温度补偿电流源的结构例的电路图。
图5是表示图1和图3中的第二温度补偿电流源的结构例的电路图。
图6是表示图4结构的变形例的电路图。
图7是表示图5结构的变形例的电路图。
图8是表示图4～图7中的温度依存电压源的结构例的电路图。
图9是表示图6和图7中的温度依存电压源的另一结构例的电路图。
图10是表示图4结构的另一变形例的电路图。
图11是表示图4结构的又一变形例的电路图。
图12是表示图1和图3中第一温度补偿电流源的另一结构例的电路图。
图13是表示图12结构的变形例的电路图。
图14是表示图12结构的另一变形例的电路图。
图15是表示图1中的温度补偿电流源的结构例的电路图。
图16是表示图15结构的变形例的电路图。
图17是表示图15结构的另一变形例的电路图。
符号说明
10：发光元件(VCSEL)；11：偏流源；12：调制电流源；20：温度补偿电流源；21：第一温度补偿电流源；22：第二温度补偿电流源；23：恒流源；24：加法减法电路；30：温度依存电压源；31：恒流源；32、33：电阻；34、35：可变电阻；36、37：比较器；40：温度依存电流源；41：电阻；50、70：运算放大器；51、71：电阻；52、72：二极管；60：温度依存电流源；61：恒流源；62：比较器；81、82、83：恒流源；M1～M62：晶体管。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。
图1表示本发明的光发送电路的结构例。图2A和图2B表示图1中的发光元件10的温度特性。T表示温度，P表示光功率，I表示电流。
图1的光发送电路包括：在低温时和在高温时具有不同的温度特性的发光元件(作为一例，为VCSEL)10；为了驱动该发光元件10，源极相互耦合，漏极分别与发光元件10和电源连接，各栅极被输入差动的输入信号IN1、IN2的差动的开关晶体管M1、M2；为了在发光元件10中流过偏流而与一方的开关晶体管M1的漏极连接的偏流源11；为了在发光元件10中流过调制电流而与差动的开关晶体管M1、M2的源极连接的调制电流源12；为了补偿发光元件10的低温时和高温时两方的温度特性而控制偏流源11和调制电流源12的电流的温度补偿电流源20。
温度补偿电流源20只要是能够补偿发光元件10的高温时和低温时两方的温度特性的结构，可以由一个电路构成，也可以组合两个以上的电路，还可以是其他任何的结构，但是，在此尤其说明设置用于补偿发光元件10的高温特性的第一温度补偿电流源21和用于补偿发光元件10的低温特性的第二温度补偿电流源22，使用组合了这两个电流源21、22的结构。
在本光发送电路中，在输入信号IN1为L电平、输入信号IN2为H电平时，一方的开关晶体管M1截止，另一方的开关晶体管M2导通，因此仅由偏流源11所设定的偏流被输入到发光元件10。接着，在输入信号IN1为H电平、输入信号IN2为L电平时，一放的开关晶体管M1导通，另一方的开关晶体管M2截止，因此对由偏流源11所设定的偏流和由调制电流源12所设定的调制电流源进行加法运算，并输出到发光元件10。这样，通过使差动的开关晶体管M1、M2导通、截止，来将与输入信号IN1、IN2相对应的电流输出到发光元件10。在发光元件10中，依存于被输入的电流而进行电流-光转换，进行光输出。
对于为了通信稳定化而经常输出恒定的光功率，需要依赖温度来变更偏流和调制电流。但是，如图2A所示，VCSEL的温度特性具有以下那样的特别情况：温度越高其阈值越大，并且转换效率(电流-光转换效率)越小，在成为低温的情况下也是阈值变大，并且转换效率(电流-光转换效率)变小。为此，为了使用VCSEL并且经常输出恒定的光功率，需要检测成为基准的阈值温度，根据该阈值温度在高温的情况和低温的情况这两种情况下使电流增加。
为此，在本发明中如图1所示，是针对动作不同的高温特性和低温特性分别进行温度补偿的结构，因此也能对VCSEL那样的特别的温度特性进行补偿。
具体而言，为了进行发光元件10的高温特性的补偿，设置第一温度补偿电流源21，该第一温度补偿电流源21在温度为第一阈值以下的情况下仅提供恒定的电流，当超过第一阈值时，提供温度越高增幅越大的电流。另外，为了进行发光元件10的低温特性的补偿，设置第二温度补偿电流源22，该第二温度补偿电流源22在温度为第二阈值以上的情况下仅提供恒定的电流，当低于第二阈值时，提供温度越低增幅越大的电流。而且，对第一温度补偿电流源21的输出电流Iout1和第二温度补偿电流源22的输出电流Iout2进行加法运算来使用。
通过采用本电路，能得到与特性完全不同的高温区域和低温区域的两方的温度特性相对应的电流输出，因此能使用该电流来控制偏流源11和调制电流源12，其结果能补偿如VCSEL那样的高温区域和低温区域的温度-电流特性的斜率不同的发光元件10的温度特性。尤其是根据VCSEL还存在高温区域和低温区域的温度-电流特性的斜率完全不同的情况。在那样的情况下也能如上述那样分别进行控制，因此能针对各个特性进行精度更好的控制。
在此，阈值温度是根据发光元件10的使用频度最高的温度而设计的，通常设定在常温附近即可。在本发明中，对于阈值温度的检测，可以根据各发光元件10的特性而将二极管、温度传感器设置在内部，在内部电路进行检测，也可以使用热敏电阻等在外部进行检测。在以低成本化为目的的情况下，优选为内置的结构。
另外，在本发明中，使用了两个温度补偿电流源21、22，但根据发光元件10的特性，也可以使用一个或三个以上的电流源。通过与其他的电流源进行加减法运算，可以生成精度更高的电流。只要是能够进行发光元件10的补偿的结构，可以不论第一温度补偿电流源21和第二温度补偿电流源22的特性以及加减法运算方法。
另外，作为发光元件10的一例示出了VCSEL，但只要是高温时和低温时的特性不同的发光元件，本发明也能适用于任何发光元件。
图3示出本发明的光发送电路的另一结构例。图3的光发送电路与图1的基本结构相同，仅温度补偿电流源20的结构不同。为此，仅说明温度补偿电流源20。
图3中的温度补偿电流源20具有如下结构，该结构包括：输出电流Iout1以补偿发光元件10的高温特性的第一温度补偿电流源21；输出电流Iout2以补偿发光元件10的低温特性的第二温度补偿电流源22；经常输出恒定的基准电流Ic的恒流源23；对这三个电流Iout1、Iout2、Ic进行加减法运算的加减法运算电路24。
在本发明中，为了进行发光元件10的高温特性的补偿，设置第一温度补偿电流源21，该第一温度补偿电流源21当温度为第一阈值以下时不提供电流，当温度高于第一阈值时，提供温度越高增幅越大的电流。另外，为了进行发光元件10的低温特性的补偿，设置第二温度补偿电流源22，该第二温度补偿电流源22当温度在第二阈值以上时不提供电流，当温度低于第二阈值时，提供温度越低增幅越大的电流。而且，设置经常提供恒定电流的恒流源23。并且，通过对这两个温度补偿电流源21、22的输出和恒流源23的输出进行加法运算来使用，从而能够得到与特性完全不同的高温区域和低温区域这两方的温度特性相对应的电流输出。尤其是根据VCSEL还存在高温区域和低温区域的温度-电流特性的斜率完全不同的情况。因此，通过如上述那样分别进行控制，能够精度更高地对各个特性进行控制。
更具体来说，在高温时，对来自第一温度补偿电流源21的电流Iout1和来自恒流源23的电流Ic进行加法运算，温度越高增幅越大在发光元件10中流过的电流。而在低温时，对来自第二温度补偿电流源22的电流Iout2和来自恒流源23的电流Ic进行加法运算，温度越低增幅越大在发光元件10中流过的电流。在阈值温度时，仅输出来自恒流源23的稳定的电流Ic。
在此，只要是能够进行发光元件10的补偿的结构，可以不论第一度补偿电流源21和第二温度补偿电流源22的特性以及加减法运算方法。加减法运算电流24可以进行模拟运算，也可以进行逻辑运算，另外，也可以为仅进行加法运算的功能，只要是能进行用于得到所希望的结果的计算的结构，可以是任何结构。
另外，在本说明中，使用两个温度补偿电流源21、22，但根据发光元件10的特性，也可以使用一个或三个以上的温度补偿电流源。另外，虽然使用了一个恒流源23，但为了提高温度依存性的精度，也可以使用两个以上的恒流源。
对于基准温度的检测，可以将二极管、温度传感器设置在内部，在电路内部进行检测，也可以使用热敏电阻等在外部进行检测。在以低成本为目的情况下，优选为内置的方式。
如上所述，通过采用图3的结构，能够另外设定经常流过的恒定电流值，因此易于设定在阈值温度附近的输出电流，能够实现稳定的特性，并且与图1的情况相同，能够分别设定低温时、高温时各自的温度依存性，因此能进行高精度的温度补偿。
图4示出了图1和图3中的第一温度补偿电流源21的结构例。图4的电路由如下部分构成：恒流源31；各源极与该恒流源31连接的差动的开关晶体管M11、M12；各漏极和栅极与差动的开关晶体管M11、M12的各漏极连接、各源极连接在电源上的电流源晶体管M13、M14；栅极与一方的电流源晶体管M13的栅极连接、漏极与电源连接的电流输出晶体管M15。
在此，在一方的开关晶体管M12的栅极上输入预先设定的基准电压Vref1(与阈值温度相对应)，在另一方的开关晶体管M11的栅极上输入由温度依存电压源30输出的依存于温度的电压(例如，具有温度越高增幅越大的正温度特性的电压)Vin1。在此，当具有温度依存性的电压Vin1为基准电压Vref1以下时，在一方的电流源晶体管M13中不流过电流，因此不从电流输出晶体管M15的漏极输出电流。而当具有温度依存性的电压Vin1高于基准电压Vref1时，在该电流源晶体管M13中流过依存于电压Vin1的电流，因此，经电流镜(current mirror)传输后的电流从电流输出晶体管M15的漏极输出。另外，在此能够通过改变电流镜的电流传输比率(mirrorratio)来容易地设定电流的变化量。通过采用以上结构，能够实现仅在为预先设定的基准电压Vref1(与阈值温度相对应)以上时，流过依存于温度的电流Iout1的结构。
图5示出了图1和图3中的第二温度补偿电流源22的结构例。图5的电路由如下部分构成：恒流源31；各源极与该恒流源31连接的差动的开关晶体管M11、M12；各漏极和栅极与差动的开关晶体管M11、M12的各漏极连接、各源极与电源连接的电流源晶体管M13、M14；栅极与一方的电流源晶体管M14的栅极连接、漏极与电源连接的电流输出晶体管M16。
在此，在一方的开关晶体管M12的栅极上输入预先设定的基准电压Vref2(与阈值温度相对应)，在另一方的开关晶体管M11的栅极上输入由温度依存电压源30输出的依存于温度的电压(例如，具有温度越高增幅越大的正的温度特性的电压)Vin1。在此，当具有温度依存性的电压Vin1高于基准电压Vref2时，在一方的电流源晶体管M14中不流过电流，因此不从电流输出晶体管M16的漏极输出电流。而当具有温度依存性的电压Vin1为基准电压Vref2以下时，在该电流源晶体管M14中流过依存于电压Vin1的电流，因此，进行了电流镜的电流被从电流输出晶体管M16的漏极输出。另外在此，能够通过改变电流镜的电流传输比率来容易地设定电流的变化量。通过采用以上结构，能够实现仅在为预先设定的基准电压Vref2(与阈值温度相对应)以下时，流过依存于温度的电流Iout2的结构。
图6示出图4的结构的变形例。在图6所示的第一温度补偿电流源21中，通过温度依存电压源30，输出具有温度越高越减小的负的温度特性的电压Vin2。
图7示出图5的结构的变形例。在图7所示的第二温度补偿电流源22中，也是与图6的情况相同，通过温度依存电压源30，输出具有温度越高越减小的负的温度特性的电压Vin2。
另外，在图4～图7中，差动的开关晶体管M11、M12使用N沟道结构的晶体管来进行说明，但也可以为如下电路结构：使用P沟道结构的晶体管作为差动的晶体管M11、M12，并使其他的电路反相。
并且，也可以为如下结构：以图4～图7的电路结构为基础，附加多个电流源，对依存于温度的电流和恒流源进行加减法运算，进行变更绝对值、变更温度依存性等的精度高的温度补偿。另外，电流源电路也可以为共阴共栅(cascode)结构。
图8示出了图4～图7中的温度依存电压源30的结构例。本电路采用将输出依存于温度的电流Itmp的温度依存电流源40和电阻41串联连接的结构。利用简单的结构，从温度依存电流源40和电阻41的连接部输出与电流Itmp成比例的依存于温度的电压，作为电压Vin1或Vin2。在图8中，温度依存电流源40与电源连接，但也可以为反相并进行接地连接的结构。
图9示出了图6和图7中的温度依存电压源30的另一结构例。本电路由如下部分构成：电流源晶体管M21；输入由带隙基准(bandgap reference)电路等稳定的电压源生成的基准电压Vref3和电流源晶体管M21的源极电压，输出连接在电流源晶体管M21的栅极上的运算放大器50；一端连接在电流源晶体管M21的源极上的电阻51；连接在该电阻51的另一端和地线之间的二极管52。在此，利用高温时两端的电压减小这样的二极管52的特性，减小在二极管52上的电压降。并且，从二极管52和电阻51的连接端输出的电压Vin2依存于温度，输出温度越高其值越小的电压。在本结构中，与图8的情况不同，不需要设置温度依存电流源40，使用二极管52的温度特性就能生成依存于温度的电压Vin2。
可以采用图9的结构作为图8中的温度依存电流源40。也即是，在运算放大器50的输入上使电流源晶体管M21的源极电压经常与基准电压Vref3相等，另一方面，利用高温时两端的电压减小的二极管52的特性，减小在二极管52上的电压降，因此电阻51上的电压变大。其结果是在电阻52中流过的电流Itmp依存于温度，温度越高其值越大。这样在图8中利用从图9中的电流源晶体管M21提供给电阻51的电流Itmp。
图10表示图4的结构的另一变形例。本电路基本上与图4的结构相同，为在差动的开关晶体管M11、M12的各源极和恒流源31之间分别附加了电阻32、33的结构。图5～图7也能进行同样的变形。通过采用本结构，能够减缓第一温度补偿电流源21和第二温度补偿电流源22的温度依存性(温度-电流系数)的特性曲线的斜率。因此，能够利用插入电阻32、33这样的简单的方法，进行用于实现所希望的温度特性的调整。
图11示出了图4的结构的又一变形例。本电路基本上与图10的结构相同，结构为：使用可变电阻34、35而取代具有固定值的电阻32、33，依存于温度对电阻值进行控制来变更温度依存性(温度-电流系数)的特性曲线。在此，可以由依存于温度的电压Vin1控制可变电阻34、35，也可以由其他依存于温度而输出的信号来进行控制，还可以使用依存于温度而被输出的信号、预先设定的基准值以及比较器，仅在取得某范围内的值的情况下进行控制。另外，根据特性来1阶段或2阶段以上地进行控制即可。通过采用本结构，能实现与发光元件10的温度相对应的精度更高的特性。
图12示出图1和图3中的第一温度补偿电流源21的另一结构例。本结构包括：依存于温度而输出电流的温度依存电流源60；漏极和栅极连接在温度依存电流源60上、源极与电源连接的电流镜晶体管31；连接在电流镜晶体管M31的漏极和电源之间的恒流源61。温度依存电流源60与图9的温度依存电压源30相同，由电流源晶体管M41、运算放大器70、电阻71以及二极管72构成。在电阻71中流过的电流Itmp依存于温度，温度越高其值越大。也即是，电流Itmp具有正的温度特性。
在本结构中，当温度较低，在温度依存电流源60中流过的电流Itmp比在恒流源61中流过的电流Ict小时，在电流镜晶体管M31中不流过电流。而当温度变高，在温度依存电流源60中流过的电流Itmp比在恒流源61中流过的电流Ict大时，在电流镜晶体管M31中流过电流Im，从电流镜晶体管M31的漏极输出依存于温度的电压V1。根据该电压V1，从栅极连接在电流镜晶体管M31的栅极上、源极连接在电源上的电流输出晶体管的漏极输出电流即可。
通过采用本结构，能以较少的构成要素来实现以在恒流源61中流过的电流为基准的依存于温度的电流输出。另外，尤其是能通过电流自身的减法运算进行设定，因此容易进行所希望的电流值的设定。
图13示出了图12的结构的变形例。本结构包括：输出依存于温度的电流的温度依存电流源60；漏极和栅极与温度依存电流源60连接、源极与电源连接的电流镜晶体管M31；漏极与电流镜晶体管M31的漏极连接、源极与电源连接的限制(killer)晶体管M32；输入预先设定的基准电压Vref4和依存于温度的电压Vin3、输出连接在限制晶体管M32的栅极上的比较器62。
在本结构中，在比较器62进行电压Vin3和基准电压Vref4的比较，在电压Vin3大于基准电压Vref4的情况下，控制限制晶体管M32的栅极电压Vg而导通该限制晶体管M32，电流镜晶体管M31的栅极与电流短路，使之不流过电流。另一方面，当电压Vin3低于基准电压Vref4的情况下，通过使限制晶体管M32截止，从电流镜晶体管M31的漏极输出依存于温度的电压V2。根据该电压V2，从栅极连接在电流镜晶体管M31的栅极上、源极连接在电源上的电流输出晶体管的漏极输出电流即可。
通过采用本结构，就能以与图12相同的较少的构成要素，实现基于基准电压Vref4而依存于温度的电流输出。
图14示出了图12结构的另一变形例。本结构包括：输出依存于温度的电流的温度依存电流源60；漏极和栅极与温度依存电流源60连接、源极与电源连接的电流镜晶体管M31；漏极与电流镜晶体管M31的漏极连接的开关晶体管M33；输入预先设定的基准电压Vref4和依存于温度的电压Vin3、输出连接在开关晶体管M33的栅极上的比较器62。
在本结构中，在比较器62进行电压Vin3和基准电压Vref4的比较，在电压Vin3大于基准电压Vref4的情况下，控制开关晶体管M33的栅极电压Vg而使该开关晶体管M33截止，从而使电流镜晶体管M31的栅极开路，在该电流镜晶体管M31中不流过电流。另一方面，当电压Vin3低于基准电压Vref4的情况下，使开关晶体管M33导通，将电流镜晶体管M31的栅极连接在依存于温度的电压V3的输出上。根据该电压V3，从栅极连接在开关晶体管M33的源极上、源极连接在电源上的电流输出晶体管的漏极输出电流即可。
通过采用本结构，能以与图12相同的较少的构成要素，实现根据基准电压Vref4来依存于温度的电流输出。
在此，在图13和图14的结构中，对在温度依存电流源60具有正的温度特性、电压Vin3大于基准电压Vref4的情况下，使限制晶体管M32导通或使开关晶体管M33截止进行了说明。但是，在温度依存电流源60具有负的温度特性的情况下，使限制晶体管M32截止、使开关晶体管M33导通这样的使比较器62的输出信号反相即可。由此，也能构成第二温度补偿电流源22。
通过任意组合使用以上说明的第一温度补偿电流源21和第二温度补偿电流源22，能够对发光元件10的阈值温度时、高温时、低温时的全部温度特性进行前馈控制。下面，说明图1中的温度补偿电流源20的更具体的例子。
图15示出了图1中的温度补偿电流源20的结构例。图15的温度补偿电流源20包括：电流源31；各源极连接在该电流源31上的差动的开关晶体管M11、M12；各漏极和栅极与差动的开关晶体管M11、M12的各漏极连接、各源极连接在电源上的电流源晶体管M13、M14；栅极与一方的电流源晶体管M13的栅极连接、源极与电源连接的第一电流输出晶体管M15；栅极与另一方的电流源晶体管M14的栅极连接、源极与电源连接的第二电流输出晶体管M16；漏极与第一电流输出晶体管M15的栅极连接、源极与电源连接的第一限制晶体管M51；漏极与第二电流输出晶体管M16的栅极连接、源极与电源连接的第二限制晶体管M52；输入预先设定的基准电压Vref1和依存于温度的电压Vin1、对第一限制晶体管M51和第二限制晶体管M52的栅极输出差动信号SW、SWB的比较器36。
在本结构中，在差动的开关晶体管M11、M12的一方的栅极上输入基准电压Vref1，在另一方的栅极上输入依存于温度的电压Vin1。因此，Vin1在基准电压(与阈值温度相对应)Vref1以下时，在一方的电流源晶体管M13中不流过电流，当在基准电压Vref1以上时，流过温度越高其值越增加的电流。当在基准电压(与阈值温度相对应)Vref1以上时，在另一方的电流源晶体管M14中不流过电路，当在基准电压Vref1以下时，流过温度越低其值越增加的电流。而且，通过在该结构中附加第一限制晶体管M51和第二限制晶体管M52，当依存于温度的电压Vin1为基准电压Vref1以上时，使第一限制晶体管M51截止，使第二限制晶体管M52导通，在一方的电流源晶体管M13中流过的电流经电流镜传输，从第一电流输出晶体管M15的漏极输出电流Iout1。另一方面，当依存于温度的电压Vin1为基准电压Vref1以下时，使第一限制晶体管M51导通，使第二限制晶体管M52截止，在另一方的电流源晶体管M14中流过的电流经电流镜传输，从第二电流输出晶体管M16的漏极输出电流Iout2。而且，通过对在第一电流输出晶体管M15和第二电流输出晶体管M16中流过的电流Iout1和Iout2进行加法运算，在高温时和低温时都能输出依存于温度的电流Iout。
图16示出了图15结构的变形例。在本结构中，取代图15的第一限制晶体管M51和第二限制晶体管M52而附加了第一开关晶体管M61和第二开关晶体管M62。基本动作与图15相同，因此在此仅对开关晶体管M61、M62进行说明。
图16的温度补偿电流源20包括：漏极与一方的电流源晶体管M13的栅极连接、源极与第一电流输出晶体管M15的栅极连接的第一开关晶体管M61；漏极与另一方的电流源晶体管M14的栅极连接、源极与第二电流输出晶体管M16的栅极连接的第二开关晶体管M62。比较器37输入预先设定的基准电压Vref1和依存于温度的电压Vin1，向第一开关晶体管M61和第二开关晶体管M62的栅极输出差动信号SW2、SW2B。
在本结构中，当依存于温度的电压Vin1高于基准电压Vref1时，使第一开关晶体管M61导通、第二开关晶体管M62截止，在一方的电流源晶体管M13中流过的电流经电流镜传输，从第一电流输出晶体管M15的漏极输出电流Iout1。当依存于温度的电压Vin1低于基准电压Vref1时，使第一开关晶体管M61截止、第二开关晶体管M62导通，在另一方的电流源晶体管M14中流过的电流经电流镜传输，从第二电流输出晶体管M16的漏极输出电流Iout2。而且，通过对在第一电流输出晶体管M15和第二电流输出晶体管M16中流过的电流Iout1和Iout2进行加法运算，在高温时和低温时都输出依存于温度的电流Iout。
在以上说明的图15和图16的结构中，能够使用一个基准电压Vref1来补偿发光元件10的高温时和低温时的两方的特性，因此具有电路结构简单、芯片面积小型化等优点。
另外，为了减少比较器36、37的切换的误动作，比较器36、37可以使用滞后(hysteresis)比较器。
并且，在图15和图16的结构中，通过附加一个或多个恒流源23，对恒定电流进行加减法运算，从而能更高精度地修正为所希望的特性。在此，可以将恒流源23连接在电流输入晶体管M15的漏极上，针对所有恒流源23，对一定的电流进行加减法运算，也可以将恒流源23连接在电流源晶体管M13、M14的漏极上，针对第一温度补偿电流源21、第二温度补偿电流源22的每一个或者双方进行加减法运算，只要是能够更高精度地实现电流特性的结构，可以采用任何结构。
图17示出了图15结构的另一变形例。在本结构中，采用如下结构：取代图15的第一限制晶体管M51和第二限制晶体管M52而附加两个恒流源81、82，并且附加与图3的恒流源23相对应的一个恒流源83。基本动作与图15相同，因此，在此仅说明恒流源81、82、83。将与第一开关晶体管M11和第二开关晶体管M12连接的恒流源31称为第一恒流源，将在图17中被附加的三个恒流源81、82、83称为第二、第三和第四恒流源。
图17的温度补偿电流源20包括：连接在第一电流输出晶体管M15的栅极和电源之间的第二恒流源81；连接在第二电流输出晶体管M16的栅极和电源之间的第三恒流源82；连接在电源上的第四恒流源83。
在本结构中，当在第一开关晶体管M11中流过的电流大于在第二恒流源81中流过的电源I1时，从第一电流输出晶体管M15的漏极输出依存于温度的电流作为电流Iout1。当在第二开关晶体管M12中流过的电流大于在第三恒流源82中流过的电源I2时，从第二电流输出晶体管M16的漏极输出依存于温度的电流作为电流Iout2。而且，通过在第一电流输出晶体管M15和第二电流输出晶体管M16中流过的电流Iout1和Iout2上加上在第四恒流源83中流过的电流Ic，作为常温时的电流，由此在高温时和低温时都输出依存于温度的所希望的电流Iout。
在此，通过将第二恒流源81和第三恒流源82的电流值I1、I2分别设定为第一恒流源31的电流值的二分之一，能够以准确的阈值为界限切换高温时和低温时的特性。尤其是在这种情况下由于要求电流精度，因此优选电流的授受全部为共阴共栅结构。
在以上说明的图17的结构中，能够不需要具有比较器地使用一个基准电压Vref1来补偿发光元件10的高温时和低温时的两方的特性，因此具有电路结构简单、芯片面积小型化等优点。
在此，通过改变电流镜的电流传输比率，可以容易地分别设定高温时、低温时的电流变化量。
并且，在图17的结构中，逐个地分别对恒流源81、82、83进行了说明，但也可以在各个位置设置多个恒流源，通过对这些恒定电流进行加减法运算而更高精度地修正为所希望的特性。只要是能高精度地实现电流特性的结构，可以采用任何的结构。
在图15～图17中差动的开关晶体管M11、M12使用N沟道结构的晶体管来进行说明，但也可以使用P沟道结构的晶体管作为差动的开关晶体管M11、M12，将其他的电路反相的电路结构。
另外，在图15～图17的电路中，与图10或图11的结构相同，为了变更第一温度补偿电流源21和第二温度补偿电流源22的温度依存性(温度-电流系数)的特性曲线的斜率，也可以是如下结构：在差动的开关晶体管M11、M12的各源极和恒流源31之间分别附加电阻32、33或可变电阻34、35。
并且，也可以是如下结构：以图15～图17的电路结构为基础，附加多个电流源，对依存于温度的电流和恒定电流进行加减法运算，进行变更绝对值、变更温度依存性等的高精度的温度补偿。另外，也可以将电流源电路部取为共阴共栅结构。
工业可利用性
如上所述，本发明的光发送电路具有能适用于如VCSEL那样在高温时和低温时具有不同温度特性的发光元件的温度补偿功能，能适用于一般的光通信用装置。

Claims (22)

1.一种光发送电路，其特征在于，包括：
在低温时和在高温时具有不同的温度特性的发光元件；
为了驱动上述发光元件，其源极相互耦合、其漏极分别连接在上述发光元件和电源上的差动的开关晶体管；
向上述发光元件提供偏流的偏流源；
向上述发光元件提供调制电流的调制电流源；以及
控制上述偏流源和上述调制电流源的电流以补偿上述发光元件在低温时和在高温时这两种情况下的温度特性的温度补偿电流源。
2.根据权利要求1所述的光发送电路，其特征在于：
上述发光元件是面发光激光元件。
3.根据权利要求1所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度补偿电流源包括：
对上述发光元件的高温特性进行补偿的第一温度补偿电流源；以及
对上述发光元件的低温特性进行补偿的第二温度补偿电流源。
4.根据权利要求3所述的光发送电路，其特征在于：
当温度为第一阈值以下时，上述第一温度补偿电流源提供恒定的电流，当温度高于上述第一阈值时，提供温度越高增幅越大的电流，
当温度为第二阈值以上时，上述第二温度补偿电流源提供恒定的电流，当温度低于上述第二阈值时，提供温度越低增幅越大的电流。
5.根据权利要求3所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度补偿电流源还包括：
经常提供恒定电流的恒流源；和
对上述第一温度补偿电流源和上述第二温度补偿电流源各自的输出电流以及上述恒流源的输出电流这三个电流进行加减法运算的加减法运算电路。
6.根据权利要求5所述的光发送电路，其特征在于：
当温度为第一阈值以下时，上述第一温度补偿电流源不提供电流，当温度高于上述第一阈值时，提供温度越高增幅越大的电流，
当温度为第二阈值以上时，上述第二温度补偿电流源不提供电流，当温度低于上述第二阈值时，提供温度越低增幅越大的电流。
7.根据权利要求3所述的光发送电路，其特征在于，
上述第一温度补偿电流源和第二温度补偿电流源包括：
恒流源；
其各源极连接在上述恒流源上的差动的开关晶体管；
其各漏极和其各栅极连接在上述差动的开关晶体管的各漏极上，且其各源极连接在电源上的电流源晶体管；
其栅极连接在上述电流源晶体管的一方的栅极上、其源极连接在电源上的电流输出晶体管；以及
输出依存于温度的电压的温度依存电压源，
向上述差动的开关晶体管的一方的栅极输入预先设定的基准电压，并向另一方的栅极输入上述温度依存电压源的输出电压，且从上述电流输出晶体管的漏极输出所希望的电流。
8.根据权利要求7所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度依存电压源包括：
输出依存于温度的电流的温度依存电流源；以及
连接在上述温度依存电流源上的电阻，
从上述温度依存电流源与上述电阻的连接端输出依存于温度的电压。
9.根据权利要求7所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度依存电压源包括：
电流源晶体管；
输入预先设定的基准电压和上述电流源晶体管的源极电压，且其输出连接在上述电流源晶体管的栅极上的运算放大器；
其一端连接在上述电流源晶体管的源极上的电阻；以及
连接在上述电阻的另一端与地线之间的二极管，
从上述二极管与上述电阻的连接端输出依存于温度的电压。
10.根据根据权利要求8所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度依存电流源包括：
电流源晶体管；
输入预先设定的基准电压和上述电流源晶体管的源极电压，且其输出连接在上述电流源晶体管的栅极上的运算放大器；
其一端连接在上述电流源晶体管的源极上的电阻；以及
连接在上述电阻的另一端和地线之间的二极管，
从上述电流源晶体管的漏极输出依存于温度的电流。
11.根据权利要求7所述的光发送电路，其特征在于，
上述第一温度补偿电流源或上述第二温度补偿电流源还包括：
连接在上述差动的开关晶体管的各个源极和上述恒流源之间的电阻。
12.根据权利要求7所述的光发送电路，其特征在于，
上述第一温度补偿电流源或上述第二温度补偿电流源还包括：
连接在上述差动的开关晶体管的各个源极和上述恒流源之间的可变电阻。
13.根据权利要求3所述的光发送电路，其特征在于，
上述第一温度补偿电流源或上述第二温度补偿电流源还包括：
输出依存于温度的电流的温度依存电流源；
其漏极和栅极连接在上述温度依存电流源上，且其源极连接在电源上的电流镜晶体管；以及
连接在上述电流镜晶体管的漏极和电源之间的恒流源，
当在上述温度依存电流源中流过的电流大于在上述恒流源中流过的电流时，在上述电流镜晶体管中流过依存于温度的电流。
14.根据权利要求13所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度依存电流源包括：
电流源晶体管；
输入预先设定的基准电压和上述电流源晶体管的源极电压，且其输出连接在上述电流源晶体管的栅极上的运算放大器；
其一端连接在上述电流源晶体管的源极上的电阻；以及
连接在上述电阻的另一端和地线之间的二极管，
从上述电流源晶体管的漏极输出依存于温度的电流。
15.根据权利要求3所述的光发送电路，其特征在于，
上述第一温度补偿电流源或上述第二温度补偿电流源包括：
输出依存于温度的电流的温度依存电流源；
其漏极和栅极连接在上述温度依存电流源上，且其源极连接在电源上的电流镜晶体管；
其漏极连接在上述电流镜晶体管的漏极上，且其源极连接在电源上的限制晶体管；以及
输入预先设定的基准电压和依存于温度的电压，且其输出连接在上述限制晶体管的栅极上的比较器，
当上述依存于温度的电压低于上述基准电压时，使上述限制晶体管截止，并从上述电流镜晶体管输出具有温度依存性的电流。
16.根据权利要求15所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度依存电流源包括：
电流源晶体管；
输入预先设定的基准电压和上述电流源晶体管的源极电压，且其输出连接在上述电流源晶体管的栅极上的运算放大器；
其一端连接在上述电流源晶体管的源极上的电阻；以及
连接在上述电阻的另一端和地线之间的二极管，
从上述电流源晶体管的漏极输出依存于温度的电流。
17.根据权利要求3所述的光发送电路，其特征在于，
上述第一温度补偿电流源或上述第二温度补偿电流源包括：
输出依存于温度的电流的温度依存电流源；
其漏极和栅极连接在上述温度依存电流源上，且其源极连接在电源上的电流镜晶体管；
其漏极连接在上述电流镜晶体管的漏极上的开关晶体管；以及
输入预先设定的基准电压和依存于温度的电压，且其输出连接在上述开关晶体管的栅极上的比较器；
当上述依存于温度的电压低于上述基准电压时，使上述开关晶体管导通，并从上述电流镜晶体管输出具有温度依存性的电流。
18.根据权利要求17所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度依存电流源包括：
电流源晶体管；
输入预先设定的基准电压和上述电流源晶体管的源极电压，且其输出连接在上述电流源晶体管的栅极上的运算放大器；
其一端连接在上述电流源晶体管的源极上的电阻；以及
连接在上述电阻的另一端和地线之间的二极管，
从上述电流源晶体管的漏极输出依存于温度的电流。
19.根据权利要求1所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度补偿电流源包括：
恒流源；
其各源极连接在上述恒流源上的差动的开关晶体管；
其各漏极和其各栅极连接在上述差动的开关晶体管的各漏极上，且其各源极连接在电源上的电流源晶体管；
其栅极连接在上述电流源晶体管的一方的栅极上，且其源极连接在电源上的第一电流输出晶体管；
其栅极连接在上述电流源晶体管的另一方的栅极上，且其源极连接在电源上的第二电流输出晶体管；
其漏极连接在上述第一电流输出晶体管的栅极上，且其源极连接在电源上的第一限制晶体管；
其漏极连接在上述第二电流输出晶体管的栅极上，且其源极连接在电源上的第二限制晶体管；以及
输入预先设定的基准电压和依存于温度的电压，并向上述第一限制晶体管和上述第二限制晶体管的栅极输出差动信号的比较器，
向上述差动的开关晶体管的一方的栅极输入上述基准电压，并向另一方的栅极输入上述依存于温度的电压，
当上述依存于温度的电压高于(或低于)上述基准电压时，使上述第一限制晶体管截止(或导通)，且使上述第二限制晶体管导通(或截止)，当上述依存于温度的电压低于(或高于)上述基准电压时，使上述第一限制晶体管导通(或截止)，且使上述第二限制晶体管截止(或导通)，对在上述第一电流输出晶体管和上述第二电流输出晶体管中流过的电流进行加法运算来进行输出。
20.根据权利要求1所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度补偿电流源包括：
恒流源；
其各源极连接在上述恒流源上的差动的开关晶体管；
其各漏极和其各栅极连接在上述差动的开关晶体管的各漏极上，且其各源极连接在电源上的电流源晶体管；
其栅极连接在上述电流源晶体管的一方的栅极上，且其源极连接在电源上的第一电流输出晶体管；
其栅极连接在上述电流源晶体管的另一方的栅极上，且其源极连接在电源上的第二电流输出晶体管；
其漏极连接在上述电流源晶体管的一方的栅极上，且其源极连接在上述第一电流输出晶体管的栅极上的第一开关晶体管；
其漏极连接在上述电流源晶体管的另一方的栅极上，且其源极连接在上述第二电流输出晶体管的栅极上的第二开关晶体管；以及
输入预先设定的基准电压和依存于温度的电压，并向上述第一开关晶体管和上述第二开关晶体管的栅极输出差动信号的比较器，
向上述差动的开关晶体管的一方的栅极输入上述基准电压，并向另一方的栅极输入上述依存于温度的电压，
当上述依存于温度的电压高于(或低于)上述基准电压时，使上述第一开关晶体管导通(或截止)，且使上述第二开关晶体管截止(或导通)，当上述依存于温度的电压低于(或高于)上述基准电压时，使上述第一开关晶体管截止(或导通)，且使上述第二开关晶体管导通(或截止)，对在上述第一电流输出晶体管和上述第二电流输出晶体管中流过的电流进行加法运算来进行输出。
21.根据权利要求1所述的光发送电路，其特征在于，
上述温度补偿电流源包括：
第一恒流源；
其各源极连接在上述第一恒流源上的差动的开关晶体管；
其各漏极和其各栅极连接在上述差动的开关晶体管的各漏极上，且其各源极连接在电源上的电流源晶体管；
其栅极连接在上述电流源晶体管的一方的栅极上，且其源极连接在电源上的第一电流输出晶体管；
其栅极连接在上述电流源晶体管的另一方的栅极上，且其源极连接在电源上的第二电流输出晶体管；
连接在上述第一电流输出晶体管的栅极和电源之间的第二恒流源；
连接在上述第二电流输出晶体管的栅极和电源之间的第三恒流源；以及
连接在电源上的第四恒流源，
当流过上述第一开关晶体管的电流大于流过上述第二恒流源的电流时，在上述第一电流输出晶体管中流过依存于温度的电流，
当流过上述第二开关晶体管的电流大于流过上述第三恒流源的电流时，在上述第二电流输出晶体管中流过依存于温度的电流，
对在上述第一电流输出晶体管和上述第二电流输出晶体管中流过的电流、和在上述第四恒流源中流过的电流进行加法运算来进行输出。
22.根据权利要求21所述的光发送电路，其特征在于：
上述第二恒流源的电流值和上述第三恒流源的电流值是上述第一恒流源的电流值的二分之一。
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