CN1499683A - 半导体激光器光输出稳定电路及光发送模块 - Google Patents

半导体激光器光输出稳定电路及光发送模块 Download PDF

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Abstract

本发明的半导体激光器光输出稳定电路及光发送模块，其中，半导体激光器高温时由I－L特性斜率饱和对过剩的脉冲驱动电流的流动进行控制，而且对激光器输出光的消光比增大到必要值以上进行控制，在整个工作温度范围内使消光比稳定。在对半导体激光器12的注入电流与光输出特性的斜率进行检测，以对调制电流进行控制的光输出稳定电路中，附加一种标准电压温度补偿电路13，以便通过对误差放大器9的标准电压进行温度补偿，由此，来对高温工作时斜率产生饱和进行补偿，减小高温工作时激光器输出光的消光比变动。

Description

半导体激光器光输出稳定电路及光发送模块
技术领域
本发明涉及半导体激光器的光输出稳定电路和光发送模块，尤其涉及不用珀耳帖元件等来对半导体激光器进行温度稳定的情况下即可使激光器输出光的消光比达到稳定的电路，例如使用于组装在光纤传输装置内的采用半导体激光器的光发送器内。
背景技术
为了使半导体激光器的输出光的消光比稳定，有时也利用珀耳帖(ペルチエ)元件等来对半导体激光器进行温度稳定处理，但为了降低消耗功率和成本，有时也不进行温度稳定处理。
这样在不进行温度稳定的情况下，为了对半导体激光器的偏置电流、驱动脉冲电流进行最佳控制所采用的过去的光输出稳定电路，如下所述，温度补偿特性欠佳。
图6表示利用过去的光输出稳定电路的光发送模块的结构。
在该光发送模块中，1是半导体激光器模块，2是模拟加法电路，3是可调增益放大器，4是激光器驱动电路，5是导频发生器，6是第1标准电压源，16是耦合电容，7是导频信号放大器，8是导频信号检波器，9是第1误差放大器，10是第2误差放大器。在上述半导体激光器模块1中组装了半导体激光器(LD)12和检测该LD12的光输出功率的光电二极管(PD)11。14是标准电压调整用电阻元件，15是光输出功率设定用电位器。
图7表示半导体激光器的一般驱动电流与发光输出功率(I-L)特性的温度变化特性，横坐标表示驱动电流(Current)；纵坐标表示光输出功率(Optical power)。
在图7中，阈值电流是半导体激光器开始发光的阈值电流，斜率是光输出功率变化量ΔP与驱动电流的单位变化量ΔI，即I-L特性斜率ΔP/ΔI。
以下参照图7，详细说明图6所示的模块的动作。
导频发生器5生成1KHz左右的脉冲信号，使该脉冲信号例如通过低频滤波器而发生正弦波的导频信号(导频信号)。该导频信号在模拟加法电路2中重叠到直流电压上，该模拟加法电路2的输出中所包含的导频信号由可调增益放大器3进行调幅后加到激光器驱动电路4内。
激光器驱动电路4利用可调增益放大器3的输出来对从差动输入端子DATA+，DATA-中输入的高速脉冲信号进行调幅，叠加了该导频信号的高速脉冲电流和直流偏置电流加到LD12上。
这样，LD12输出叠加了导频信号成分的光信号。该光输出信号由监视器用PD11进行检测，该检测输出中所包含的微小导频信号成分经过耦合电容16由导频信号放大器7有选择地进行放大，然后，由导频信号检波器8来取得与导频信号振幅成正比的直流电压信号。
第1误差放大器9，由上述导频信号检波器8取得的直流电压和从第1标准电压源6经过标准电压调整用电阻元件14而取得的第1标准电压的差电压进行放大后的输出电压，被用来控制可调增益放大器3的增益，使上述差电压达到零。可调增益放大器3的输出，通过对激光器驱动电路4的电流源进行控制，来对从激光器驱动电路4中输出的LD12的驱动脉冲电流进行控制。
根据按上述方法检测出的导频信号振幅的大小，测量出图7所示的I-L特性的斜率，根据该测量结果，对可调增益放大器3的增益进行控制，以便在高温工作时对导频信号振幅的减小量进行补偿，这样进行控制使驱动脉冲电流增大。
并且，第2误差放大器10，对监视器用PD11的检测输出的直流电平经过光输出功率设定用电位器15而进行输入的电压和第2标准电压的差电压进行放大，然后输出的电压对激光器驱动电路4进行控制，使LD12的光输出强度达到一定(恒定)，对由此输出的LD12的直流偏置电流进行控制。
图8是说明在图6的光输出稳定电路中利用导频信号来对半导体激光器的驱动脉冲电流进行控制的原理的图。
从图8中可以看出，LD12的驱动电流(注入电流)与发光输出(I-L)特性，随工作温度不同而使ΔP/ΔI发生变化，监视器用PD11的检测电流中所包含的导频信号的振幅发生变化。
图9是表示实际的半导体激光器在高温工作时I-L特性饱和的情况的特性图。
室温(25℃)的I-L特性是图9中左侧所示的曲线，高温(70℃)时的I-L特性是图9中右侧所示的曲线，斜率(ΔP/ΔI)减小。也就是说，在高温工作时为了获得和室温时相同的光输出，必须加更大的驱动电流。
另一方面，在图6中的激光器驱动电路4中，相当于图7所示的LD12的阈值电流的直流叠加到驱动脉冲电流上而形成的电流用来驱动LD12。该LD12的阈值电流也具有温度特性，在高温时增大。
在图6所示的光输出稳定电路中，对由监视器用PD11检测出的LD12的输出功率在第2误差放大器10中与标准值相比较，对加在LD12上的直流偏置电流进行控制，使输出功率达到一定值。
在图7和图8中，使阈值电流以上的I-L特性的斜率，即阈值电流以上的LD12的ΔP/ΔI不随流入到LD12内的驱动电流而变化，而是保持一定，但是，实际上，如图9所示，尤其在高温工作时，出现高电流时ΔP/ΔI饱和的趋势，高电流时ΔP/ΔI产生下降。
所以，图6中所示的光输出稳定电路中的监视器用PD11在高温工作时，检测出较小的导频振幅，所以，高温工作时控制脉冲电流使其增大到必要值以上。
这样，出现的问题是：在高温侧，消光比增大到必要值以上，LD12的发光线宽增大，造成分散补偿特性恶化(用光纤把从LD12获得的光信号实际传输数十km时所产生的接收灵敏度降低)。
并且，图6中所示的光输出稳定电路中的导频信号检波器7，如能仅检测出导频的振幅，就没有问题，但实际上高速调制信号成分漏入量很小，有时产生误动作。为防止该漏入所引起的误动作，必须把叠加到光输出信号上的导频信号成分的振幅增大到一定程度(约10％)以上，导致发射光的S/N恶化，接收灵敏度降低。
而且，在专利文献1中公开了这样一种半导体激光器光输出稳定电路，它为了调整半导体激光器的光输出信号的低电平，对偏置电流源进行控制；为了调整光输出信号的高电平，对脉冲电流源进行控制。
并且，在非专利文献1中公开了这样一种双环式控制，它根据从半导体激光器模块中直接取得的测量值，对半导体激光器的偏置电流和调制电流两者进行控制。
[专利文献1]
特开平6-169125号公报
[非专利文献1]
Brian Russell和另1名“在光通信用激光二极管驱动器中采用双环式控制”，Design Wave Magajine、美国、Analog Devices公司、2001年8月、P、154-159。
发明要解决的问题
如上所述，过去的半导体激光器的光输出稳定电路，存在的问题是：在半导体激光器高温时，由于I-L特性的饱和，有过剩脉冲驱动电流通过，高温时消光比增大到必要值以上。
并且，过去的半导体激光器的光输出稳定电路中的导频信号检波器，存在的问题是：必须把导频成分的振幅增大到一定程度以上，导致发射光的S/N恶化，接收灵敏度降低。
发明的内容
本发明正是为解决上述问题而提出的，其目的在于提供这样一种半导体激光器的光输出稳定电路和光发送模块，它即使不进行半导体激光器的温度稳定，也能在很宽的周围温度范围内使消光比大致保持为一定值，有助于光发送器的小型化和高性能化。
并且，本发明的另一目的在于提供这样一种半导体激光器的光输出稳定电路和光发送模块，它能减小叠加在光输出信号上的导频信号的振幅，有助于提高发射光的S/N比，提高接收灵敏度。
本发明的半导体激光器的光输出稳定电路，其特征在于具有：
导频信号发生器，用于发生为叠加到半导体激光器驱动脉冲电流上用的低频导频信号；
导频信号振幅调整电路，用于调整由上述导频信号发生器发生的导频信号的振幅；
激光器驱动电路，用于利用上述导频信号振幅调整电路的输出信号来对上述半导体激光器的脉冲驱动电流进行调制，利用调制后的脉冲驱动电流来对上述半导体激光器进行驱动；
导频信号检测电路，从接收上述半导体激光器输出光的监视器用的光检测元件的检测电流中检测出导频信号的振幅；
第1误差放大器，用于对上述导频信号检测电路所检测出的第1检测电压和第1标准电压进行比较，生成第1差信号，根据上述第1差信号来控制上述导频信号振幅调整电路，使上述导频信号检测电路所检测的导频信号振幅达到一定；以及
标准电压温度补偿电路，用于通过对第1误差放大器的标准电压进行温度补偿，来减小高温工作时的上述半导体激光器的输出光的消光比变动。
本发明的光发送模块，其特征在于具有：
半导体器件，在本发明的光输出稳定电路中，至少对上述导频信号发生器、导频信号振幅调整电路、激光器驱动电路和导频信号检测电路制成了集成电路；
半导体激光器模块，其设置在上述半导体器件的外部，其中组装有由上述光输出稳定电路进行驱动的半导体激光器、和接收上述半导体激光器的输出光的监视器用的光检测元件；以及
标准电压温度补偿部件，它被连接安装在上述半导体器件的外面。
附图说明
图1是表示采用本发明第1实施方式的光输出稳定电路的光发送模块的结构说明图。
图2是表示采用本发明第2实施方式的光输出稳定电路的光发送模块的结构说明图。
图3是表示图2中的同步型导频信号检波电路的动作例的波形图。
图4是表示采用本发明第4实施方式的光输出稳定电路的光发送模块的结构说明图。
图5是表示图4中的模拟开关和低通滤波器的动作例的波形图。
图6是表示采用过去的光输出稳定电路的光发送模块的结构说明图。
图7是表示半导体激光器的一般驱动电流与发光输出特性的温度依存性的图。
图8是说明在图6的光输出稳定电路中利用导频信号来对半导体激光器的驱动脉冲电流进行控制的原理图。
图9是表示实际的半导体激光器在高温工作时I-L特性饱和的情况的特性图。
发明的实施方式
以下参照附图，详细说明本发明的实施方式。
[第1实施方式]
图1是表示采用本发明第1实施方式的光输出稳定电路的光发送模块的结构说明图。
图1所示的光发送模块，与图6所示的光发送模块相比，不同之处是附加了对第1误差放大器9的标准电压进行温度补偿(温度越高使标准电压越低)的温度补偿电路13，从而减小了高温工作时激光器输出光的消光比变动，其他相同，所以标注了和图6相同的符号。
在该模块中，半导体激光器模块1，其中组装了LD12以及用于检测该LD12的光输出功率的监视用光电元件(例如光电二极管PD)11。
在上述光输出稳定电路中，2是模拟加法电路，3是可调增益放大器，4是激光器驱动电路，5是导频发生器，6是第1标准电压源，16是耦合电容(例如MOS电容器)、7是导频信号放大器，8是导频信号检波器，9是第1误差放大器，10是第2误差放大器。
导频发生器5生成低频(例如约1KHz)的脉冲信号，使该脉冲信号例如通过低通滤波器，发生正弦波的导频信号(调频立体声播送信号)。该导频信号在模拟加法电路2内叠加到直流电压上，该模拟加法电路2的输出中所包含的导频信号由可调增益放大器3进行调幅后加到激光器驱动电路4内。
激光器驱动电路4的构成部分有：例如在发射极之间连接在一起的构成差动输入对的NPN晶体管Q1、Q2、连接在上述差动输入对晶体管Q1、Q2的发射极公用连接节点和接地节点之间的电流源Iv、连接在上述差动输入对晶体管Q1、Q2的一边的晶体管的集电极和电源节点之间的负荷电阻元件R、连接在上述差动输入对晶体管Q、Q2的另一边的晶体管的集电极和接地节点之间的扼流线圈L、以及偏压控制用的NPN晶体管Q3，在上述另一边的晶体管的集电极和电源节点之间连接了上述LD12。
并且，高速脉冲信号从差动输入端子DATA+、DATA-输入到上述差动输入对晶体管Q1、Q2的基极上，上述电流源Iv的电流由上述可调增益放大器3的输出进行控制，上述第2误差放大器10的输出加到上述偏压控制用的NPN晶体管Q3的基极上。
这样，高速脉冲信号由可调增益放大器3的输出中所包含的导频信号来进行调幅，叠加了该导频信号的高速脉冲电流和由上述第2误差放大器的输出来进行控制的直流偏置电流加到LD12上。
这样，LD12用来输出叠加了导频信号成分的光信号。该LD12的光输出信号由监视器PD11进行检测，该检测输出中所包含的微小导频信号成分，经过耦合电容16由导频信号放大器7有选择地进行放大，然后，由导频信号检波器8来取得与导频信号振幅成正比的直流电压输出。
第1误差放大器9，由上述导频信号检波器8取得的直流电压和从第1标准电压源6经过温度补偿电路13和标准电压调整用电阻元件14而取得的第1标准电压，这两者的差电压进行放大后的输出电压，被用来控制可调增益放大器3的增益，使上述差电压达到零。可调增益放大器3的输出，通过对激光器驱动电路4的电流源进行控制，来对从激光器驱动电路4输出的LD12的驱动脉冲电流进行控制。
根据按上述方法检测出的导频信号振幅的大小，测量出图7所示的I-L特性的斜率ΔP/ΔI，根据该测量结果，对可调增益放大器3的增益进行控制，以便在高温工作时对导频信号振幅的减小量进行补偿，这样进行控制，使驱动脉冲电流增大。
并且，第2误差放大器10，对监视器用PD11的检测输出的直流电平经过光输出功率设定用电位器15而进行输入的电压和第2标准电压的差电压进行放大，然后输出的电压被用来对激光器驱动电路4进行控制，使LD12的光输出强度达到一定，并对输出的LD12的直流偏置电流进行控制。
另一方面，上述温度补偿电路13例如由热敏电阻130、电阻元件131、132、133构成，连接在标准电压源6标准电压调整用电阻元件14之间。也就是说，电阻元件133与标准电压源6并联连接，与其相并联地对热敏电阻130和电阻元件131进行串联连接，与该热敏电阻130相并联地连接了电阻元件132。
上述热敏电阻130随着周围温度的升高，其阻值下降，所以，从标准电压源6通过温度补偿电路13和标准电压调整用电阻元件14而加到误差放大器9上的标准电压随温度升高而降低。这时加在误差放大器9上的标准电压的温度系数，根据LD12的温度特性而进行校正，为此插入上述电阻元件131、132、133。
所以，温度补偿电路13进行工作，在高温时使驱动脉冲电流减小(补偿)。这样，在高温工作时对于因LD12的I-L特性饱和而向LD12内流入过剩驱动脉冲电流，能够进行控制，所以，能解决激光器输出光的消光比增大到需要量以上的问题。
图1所示的光发送模块，其是将：
半导体器件，用于将光输出稳定电路的大部分(至少是上述导频信号发生器、导频信号振幅调整电路、激光器驱动电路和导频信号检测电路)做成集成电路；
半导体激光器模块1，其设置在上述半导体器件的外部，其中组装有由上述光输出稳定电路进行驱动的半导体激光器12和接收上述半导体激光器的输出光的监视器用的光检测元件11；以及
标准电压温度补偿部件，(热敏电阻130、电阻元件131、132等)它被连接安装在上述半导体器件的外面；
等多个零件例如组装在光纤传输装置内。在此情况下，与过去的光发送模块相比，新附加的标准电压温度补偿电路元件连接在半导体器件的外部即可，能制成廉价的光发送模块。
[第2实施方式]
图2是表示采用本发明第2实施方式的光输出稳定电路的光发送模块的结构说明图。
图2所示的光发送模块与图1所示的光发送模块相比，不同之处是：利用同步型导频信号检波电路8a作为导频信号检波器8，其他相同。
上述同步型导频信号检波电路8a能利用全波整流器以简单的结构来实现，其中包括；利用与导频信号发生器5供给的导频信号相同步的时钟信号来互补地进行通/断动作的一对模拟开关71、72，以及使该模拟开关71、72的一个输入进行倒相的倒相放大器73。
图3表示图2中的同步型导频信号检波电路的动作波形。
利用与导频信号同步的时钟信号进行驱动的同步检波电路，其作用是有选择地仅对特定频率的导频信号的信号振幅进行检测。所以，仅检测出监视器PD11的输出信号中所包含的导频信号成分，因此，能防止监视器用PD11的输出信号中所包含的传输信号成分造成的误动作。这样，能减小叠加在光输出信号上的导频信号成分的振幅，有助于提高发射光S/N比，改善接收灵敏度。
与此相比，在上述第1实施方式中，使用通常的非同步检波器作为导频信号检波器8的情况下，也能检测出监视器用PD11的输出信号中所包含的导频信号以外的频率成分，可能产生误动作。
[第3实施方式]
在第3实施方式中说明上述第1实施方式和第2实施方式的光输出稳定电路的导频信号的激光器驱动脉冲电流的控制装置的变更例。
图4表示采用涉及本发明第3实施方式的光输出稳定电路的光发送模块的构成。
图4所示的光发送模块，与图1所示的光发送模块相比，取代模拟加法电路2和可调增益放大器3的组合，采用了这样一种激光器驱动脉冲电流控制电路80，即其中包括：输入第1误差放大器9的输出信号，利用与从上述导频信号发生器5供给的导频信号同步的时钟信号来进行通/断动作的模拟开关81、以及输入该模拟开关81的输出信号的低通滤波器(LPF)82。
图5是表示图4中的模拟开关和低通滤波器82的动作波形的一实施例。
若利用与导频信号同步的时钟信号来进行通/断驱动的模拟开关81内所输入的直流电压(第1误差放大器9的输出电压)为V0，则从模拟开关81输出振幅V0的脉冲信号，从输入该脉冲信号的LPF82中输出在直流电压(V0/2)上叠加了微小振幅Vp的导频信号的信号。在此情况下，导频信号的振幅Vp由LPF82的截止频率决定，与模拟开关81的输入电压V0成正比。
这种动作是与上述模拟加法电路2和可调增益放大器4的组合相同的动作，尤其可以不用可调增益放大器4进行，所以有助于减少零件数量，降低成本。
而且，图4中的移相器17，为了对LPF82中导频信号相位产生偏差进行补偿而插入到导频信号放大器7和导频信号检波器82之间。
发明的效果
如上所述，若采用本发明的光输出稳定电路，则能解决半导体激光器高温时由于I-L特性饱和而使过剩的驱动脉冲电流流过，使激光器输出光的消光比增大到必要值以上的问题。
并且，若采用本发明的光发送模块，则即使半导体激光器不进行温度稳定，也能在宽的周围温度范围内使激光器输出光的消光比大致上保持一定值，有助于光发送器的小型化和高性能化。

Claims (9)

1、一种光输出稳定电路，其特征在于具有：
导频信号发生器，用于发生为叠加到半导体激光器脉冲驱动电流上用的低频导频信号；
导频信号振幅调整电路，用于调整由上述导频信号发生器产生的导频信号的振幅；
激光器驱动电路，用于利用上述导频信号振幅调整电路的输出信号，来对上述半导体激光器的脉冲驱动电流进行调制，由调制后的脉冲驱动电流来对上述半导体激光器进行驱动；
导频信号检测电路，从接收上述半导体激光器输出光的监视器用的光检测元件的检测电流中检测出导频信号的振幅；
第1误差放大器，用于对由上述导频信号检测电路所检测出的第1检测电压和第1标准电压进行比较，生成第1差信号，根据上述第1差信号来控制上述导频信号振幅调整电路，使上述导频信号检测电路所检测的导频信号振幅成为一定；以及
标准电压温度补偿电路，用于通过对上述第1误差放大器的标准电压进行补偿，来减小高温工作时的上述半导体激光器的输出光的消光比变动。
2、如权利要求1所述的光输出稳定电路，其特征在于具有：
输出光功率检测电路，用于从上述光检测元件的检测电流中检测出上述半导体激光器的输出光功率；以及
第2误差放大器，用于对上述输出光功率检测电路所检测出的第2检测电压和第2标准电压进行比较，生成第2差信号，根据上述第2差信号来控制上述激光器驱动电路，使上述输出光功率检测电路所检测的输出光功率成为一定，由此来控制上述半导体激光器的直流偏置电流。
3、如权利要求1所述的光输出稳定电路，其特征在于：上述导频信号检测电路采用同步检波电路。
4、如权利要求3所述的光输出稳定电路，其特征在于：上述同步检波电路由全波整流器构成，该全波整流器采用通过与上述导频信号发生器所供给的导频信号相同步的时钟信号、而互补地进行通/断驱动的一对模拟开关。
5、如权利要求1所述的光输出稳定电路，其特征在于：上述导频信号振幅调整电路具有：
模拟加法电路，用于把上述导频信号叠加到直流电压上；以及
可调增益放大器，其中输入上述模拟加法电路的输出信号，利用由上述第1误差放大器的输出进行增益控制的输出信号来对上述激光器驱动电路进行控制，由此来对输出脉冲驱动电流进行控制。
6、如权利要求1所述的光输出稳定电路，其特征在于：上述导频信号振幅调整电路具有：
模拟开关，用于输入上述第1误差放大器的输出信号，由与上述导频信号发生器所供给的导频信号相同步的时钟信号来进行通/断；以及
低通滤波器，用于输入从上述模拟开关中输出的脉冲信号，把该脉冲信号变换成直流电压和与该电压成正比的振幅的导频信号进行叠加后的信号。
7、如权利要求1所述的光输出稳定电路，其特征在于：上述标准电压温度补偿电路采用热敏电阻作为温度补偿部件。
8、一种光发送模块，其特征在于具有：
半导体器件，在权利要求1～7中的任一项所述的光输出稳定电路中，至少把上述导频信号发生器、导频信号振幅调整电路、激光器驱动电路和导频信号检测电路制成了集成电路；
半导体激光器模块，其设置在上述半导体器件的外部，其中组装了由上述光输出稳定电路驱动的半导体激光器和接收上述半导体激光器的输出光的监视器用的光检测元件；以及
标准电压温度补偿部件，它被连接安装在上述半导体器件的外面；
9、如权利要求8所述的光发送模块，其特征在于，组装在光纤传输装置中。
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