JP2002511658A - レーザダイオードの温度補償 - Google Patents

レーザダイオードの温度補償

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JP2002511658A JP2000544038A JP2000544038A JP2002511658A JP 2002511658 A JP2002511658 A JP 2002511658A JP 2000544038 A JP2000544038 A JP 2000544038A JP 2000544038 A JP2000544038 A JP 2000544038A JP 2002511658 A JP2002511658 A JP 2002511658A
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Abstract

(57)【要約】 アナログ回路は、光送信器のレーザダイオードの温度補償を行う。サーミスタ（３２）は、レーザダイオード（ＬＤ）の温度を検出するとともに、ダイオード駆動電流及びダイオードバイアス電流を発生させる電流源（３０）を制御する。新規の回路は、温度変化の考察しうる範囲に亘る温度上昇に伴うレーザダイオードの出力パワーの減少及びしきい値電流の上昇を補償する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術の分野】本発明は、光ファイバ通信システムで使用されるタイブのレーザ
ダイオードを有する送信器に関するものであり、特に、レーザダイオードの温度
変化によって発生した変動に対するレーザダイオードの光出力を調整する補償回
路に関するものである。
【０００２】
【背景技術】半導体レーザダイオードは、光ファイバ通信リンクの光源として広
く使用されている。レーザダイオードは、光ファイバを通じて送信すべき情報を
表す交流電流（ａ．ｃ．）によって駆動される。所望の交流信号を保持するレー
ザダイオードの光出力は、対応する光ファイバに結合され、その光ファイバは、
その他端に結合した受信器に光信号を供給し、送信された交流信号は、受話器に
おいて、さらなる信号処理のために電気信号として再生される。所定の送信器パ
ッケージは、そのようなレーザダイオードを１個以上有し、その各々は、対応す
るダイオード駆動回路を有し、対応する光ファイバに結合される。
【０００３】レーザダイオードは、任意の光出力がダイオードから出射する前に
超える必要がある特定のしきい値電流を有する。典型的な送信器パッケージにお
いて、光出力がしきい値となるようにバイアス電流がレーザダイオードに供給さ
れる。これは、送信される交流信号の線形性及び信号強度を維持するために行わ
れる。ダイオード駆動回路から供給される交流信号を、それがデジタル通信にお
いてデジタルパルス列から構成されるとしても、時間全体に亘って振幅変動する
任意の信号とすることができる。レーザダイオードに交流駆動電流が入力される
結果、時間変動特性、典型的には交流信号を表すとともに所望の情報を保持する
光出力の振幅又は強度を有する光出力が出射される。
【０００４】半導体レーザダイオードは環境の温度変化に応答し、しきい値電流
が温度上昇とともに増大するとともに、出射された光の出力レベルすなわち強度
は温度上昇とともに減少する。ここで注目している温度変化とは、室温の変化及
び／又はレーザダイオード送信器を有する機器のハウジングの発熱の変化である
。この影響に対して補正が行われない場合、光出力によって保持される交流信号
に歪みが発生するとともに、光出力の全体に亘る強度が減少する。その結果、通
信リンクの質が悪化し、レーザダイオードの出力が、他端において受信器によっ
て検出できる最低レベルより下に降下すると、リンクが完全に機能不全となる。
【０００５】レーザダイオードのこのような温度の影響を補正するためのデパイ
シング手段において多大な努力がなされた。通常のアプローチは、槻して二つの
範疇すなわち光フイードバック及び積極的な冷却に分けられる。光フイードバッ
クのアプローチは、光検出器によりレーザダイオードの光出力を実際に検出し、
レーザダイオードに対する駆動電流を増大させ、温度上昇に伴う出力の減少を補
償するために光検出器の出力をレーザダイオードに接続する。積極的な冷却は、
定温に保持するためにペルチエ接合素子のような手段によってレーザダイオード
を冷却する必要がある。前者のアプローチは、レーザダイオードのしきい値電流
の変化を補正し損ない、後者のアプローチは、過度のパワーを消費する。
【０００６】対応するレーザダイオードの動作特性の温度に起因する変化を補償
するために、バイアス電流及び駆動電流を温度関数として調整することも試みら
れている。しかしながら、温度関数として要求されるしきい値電流及び駆動電流
は、一般に指数関数として近似するように変動する。これらの手法の既知の成果
は、レーザダイオードの変化する温度範囲に亘る互いに近接した温度点のダイオ
ード電流を表す記憶値のテーブルを設けたマイクロプロセッサシステムに依存す
る。このアプローチは、デジタルメモリ、マイクロプロセッサ及び支援回路を必
要とし、その結果、不所望な複雑さ及び過度のパワーが必要となる。
【０００７】レーザダイオードの温度補償のために更に有効なアプローチが依然
として要求されている。
【０００８】
【発明の開示】本発明は、光送信器のレーザダイオードの熱的な補償のためにア
ナログ回路を設けることによって上記必要に応え、この場合、レーザダイオード
の温度は、サーミスタのような温度に依存する素子によって検出され、そのセン
サ出力は、ダイオード駆動電流のレベル及びダイオードバイアス電流を制御する
ために用いられて、レーザダイオードの温度変化を補正する。
【０００９】新規の回路は完全にアナログ設計であり、これによって、デジタル
処理によって更に複雑になり及びパワーが消費される事態を回避するだけでなく
、温度変化のほぼ全体に亘る温度上昇に伴うレーザダイオードの出力パワーの減
少及びしきい値電流の上昇を補償する。
【００１０】より詳しくは、本発明による向上した温度補償回路は、レーザダイ
オードと、そのレーザダイオードに交流駆動電流を供給する駆動回路とを有する
送信器用の温度補償回路であって、前記レーザダイオードの熱検出を行うために
配置したサーミスタと、そのサーミスタによって制御される第１及び第２電流出
力部を有する電流源とを具え、前記第１電流出力部を、前記駆動回路を温度補償
するために前記駆動回路に接続し、前記第２電流出力部を、温度補償されたバイ
アス電流を前記レーザダイオードに供給するように接続する。すなわち、前記第
１電流出力が、前記サーミスタによって検出した温度の上昇とともに前記交流駆
動電流の振幅を増大させるように作用し、第２電流出力が、前記サーミスタによ
って検出した温度の上昇とともに上昇する。
【００１１】前記電流源が、第１及び第２電流出力を発生させるカレントミラー
回路を具える。サーミスタを、カレントミラー回路の温度補償電流出力曲線を近
似するように選択した、並列固定抵抗を有するカレントミラー回路の抵抗網の一
部として接続してもよい。
【００１２】本発明を、レーザダイオードと、そのレーザダイオードに交流駆動
電流を供給して光出力を発生させる駆動回路とを有する送信器用の温度補償回路
として要約することもできる。好適な実施の形態において、この温度補償回路は
、交流駆動電流の振幅を制御するとともに前記レーザダイオードにバイアス電流
を供給するためにそれぞれ接続した第１及び第２電流出力部を有する単一のアナ
ログカレントミラー回路と、前記レーザダイオードと熱検出関係となるように配
置し、かつ、前記交流駆動電流振幅及び前記レーザダイオードの温度変化に対す
る前記レーザダイオードのバイアス電流を補償するサーミスタとを有する。
【００１３】
【発明を実施するための最良の形態】本発明のこれら及び他の改良点、特徴及び
利点を、好適な実施の形態及び添付図面を参照して詳細に説明する。 同様な素子に同様な符号を付した添付図面を参照すると、図１は、支持基板１
６上に載せ置かれるとともに複数のレーザダイオード１４を有するレーザダイオ
ードアレイチップ１２を示す。同数の光ファイバ１８を基板１７上に支持し、そ
の各々の端面を、レーザダイオード１４のうちの対応するものに光学的に整列さ
せる０給電線２１を通じて各ダイオード１４に電力を供給するために接続パッド
１９をレーザアレイチップ上に設け、図示しない共通接地接続が存在する。これ
ら光ファイバは、多芯ケーブル１５を構成するために図１において上方に延在し
、その多芯ケーブル１５の反対側の端部に、光検出器を有する受信器（図示せず
）を設け、その光検出器は、他の処理のためにファイバ１８からの光信号を対応
する電気信号に変換する。
【００１４】レーザダイオード１４は、対応する駆動回路によってそれぞれ駆動
され、その駆動回路は、放出される光信号によってファイバ１８に伝達すべき情
報によって変調された交流電流を発生させる。図２は、レーザダイオード１４の
うちの１個に対応する駆動回路及び関連の温度補償回路をブロック回路図で示す
。図２の回路は単一のレーザダイオード駆動チヤネルを表し、この回路をダイオ
ードアレイ１２の各レーザダイオード１４に対して繰り返して、複数の並列駆動
チヤネルを設ける０明瞭のために、図中には、そのような回路を１個のみ示す。
典型的な高性能システムにおいて、駆動回路は高周波信号を処理し、好適な実施
の形態において、全てのレーザダイオード駆動チヤネルを、単一集積回路上でシ
リコンパイボーラ技術によって実現し、それは、例えば、ＩＥＥＥ規格のＰＥＣ
Ｌインタフエース送信機に対して２７ＧＨｚの単一利得周波数を有する。
【００１５】図２において、一般的に参照数字２０を付したレーザダイオード駆
動回路を従来の設計のものとし、それは、交流信号入力Ｖｉｎを受信するコンパ
レータとして機能する第１増幅段２２を有し、その第１増幅段には、第２増幅器
２４及び位相補償段が後続する。段２４の出力は、差動トランジスタ対Ｑｌ０ｌ
，Ｑｌ０２のトランジスタＱｌ０ｌを駆動する。トランジスタＱｌ０ｌを電源Ｖ ｃｃ と定電流供給回路Ｉｓとの間に接続し、トランジスタＱｌ０２を定電流供給
回路ＩｓとレーザダイオードＬＤとの間に接続する。差動トランジスタ対は、交
流駆動電流をレーザダイオードＬＤに供給する．駆動回路は、入力部及び出力部
にそれぞれ適切な静電放電保護回路２８ａ，２８ｂを有する。
【００１６】一般に参照数字３０を付した温度補償制御回路は、トランジスタＱ
ｌ及びＱ２と、カレントミラー回路形態で接続した２グループの並列接続した負
荷トランジスタＱｘ及びＱｙとを有する。カレントミラー回路はプログラムされ
ており、すなわち、その出力電流は、固定抵抗３４に並列接続したサーミスタ３
２とエミッタ抵抗２６とを有する抵抗網によって決定したプログラム電流によっ
て決定される。キヤパシタンス４０は回路の安定性を向上させる。サーミスタ３
２を物理的に配置し、図１に示すように、レーザダイオードアレイ１２に近接し
て熱検出するために共通基板１６上に載せ置く。
【００１７】カレントミラー回路は、２個の電流出力部、すなわち、トランジス
タＱｘから共同して発生した駆動電流制御出力部ＩＤと、トランジスタＱｙから
共同して発生した可変バイアス電流制御出力部ＩＢとを有する。駆動電流制御出
力部ＩＤを、定電流源ＩＳに並列に差動トランジスタ対Ｑｌ０ｌ，Ｑｌ０２のエ
ミツタに接続する。可変バイアス電流制御出力部ＩＢは、レーザダイオードＬＤ
に接続され、連続的な順バイアスをダイオードに加える。
【００１８】ダイオード動作温度の変化に伴うダイオードＬＤのしきい値電流レ
ベルの変化を可変バイアス電流制御出力部ＩＢが追従するように、温度制御回路
３０を設計する。すなわち、可変バイアス電流は、サーミスタ３２によって検出
した温度の変化とともに変化する。そのような温度変化は、環境的な要因及び／
又は光送信器パッケージを包囲する周辺に発生した廃熟によって生じた周辺温度
の変化を反映する。サーミスタ３２を負の温度係数（ＮＴＣ）のデバイスとし、
その結果、ダイオードＬＤのしきい値電流レベルが温度とともに上昇すると、補
償回路３０によって発生したバイアス電流も上昇して、レーザダイオードのしき
い値電圧を、最も近接した発光しきい値付近に保持する。
【００１９】同様に、駆動制御電流出力部ＩＤは、サーミスタ３２によって検出
した周辺温度の変化を追跡し、この制御電流を、定電流源ＩＳから発生した定電
流に加算する。合計したこれら二つの電流は、レーザダイオードに供給される交
流駆動電流の振幅を制御する。定電流ＩＳと駆動制御電流ＩＤとの和は、レーザ
ダイオード駆動回路２０の交流駆動電流出力ＩＣを制御する。この駆動電流ＩＣ は実際には合成電流であり、それは、差動トランジスタ対の出力ヘの定電流源Ｉ Ｓ の影響に起因する直流成分を有する．この直流成分は、レーザダイオードの順
バイアスに寄与し、温度補償バイアス電流ＩＢに加算されて、ベースすなわち最
小バイアス電流を発生させる。
【００２０】ダイオードＬＤの発光効率は、温度の上昇とともに減少する。した
がって、駆動制御電流が温度に関連して変化し、すなわち、温度の上昇とともに
増大して、レーザダイオードに供給される交流駆動電流を増大させるとともに、
温度の下降とともにダイオード駆動電流を減少させて、光送信器の温度変化の範
囲全体に亘つてダイオードの光パワー出力をほぼ一定に維持するとともに、周辺
の温度変化に対するレーザダイオードの特性応答を補償するように、補償回路３
０を設計する。
【００２１】可変バイアス電流及び駆動制御電流の組合わせの効果は、許容され
る出力パワーレベルの範囲内にレーザダイオードの調光出力及び送信器パッケー
ジの意図した温度変化範囲に亘る変調を維持することである。最適な温度安定性
並びにコスト及びサイズを考慮すると、温度補償回路３０を駆動回路２０ととも
にチップ上に実現するのが好ましい。補償回路３０の素子を選択する際の好適な
値及び部品番号を表１に示す。
【００２２】
【表１】
【００２３】好適なミラー回路において、第１の負荷トランジスタ群は３個のト
ランジスタＱｘを有し、第２の負荷トランジスタ群は６個のトランジスタＱｙを
有し、その各々は対応するエミツタ抵抗３８を有する。０℃から９０℃の意図し
た温度変化範囲を有する例示した回路において、以下の表２は、駆動制御電流Ｉ Ｄ と、可変バイアス電流ＩＢと、定電流ＩＳと、二つの大幅に離間した温度点の
熱抵抗ＲＴに対する値を示す。
【００２４】
【表２】
【００２５】各トランジスタＱｘ及びＱｙによって寄与される電流は、そのグル
ープのトランジスタの個数、すなわち、３個のトランジスタＱｘ及び６個のトラ
ンジスタＱｙによって分割された対応する負荷群の全電流出力となる。
【００２６】典型的なレーザダイオードに対する温度の関数としてのレーザダイ
オードしきい値電流Ｉｂは、以下の指数関数によって与えられる。
【数１】
【００２７】この場合、指数の分母を、カレントミラー回路のトランジスタＱｙ
の電流利得とし、一方、同一デバイスの温度に依存するレーザダイオード駆動電
流関数、すなわち一定の光出力を維持するのに必要な駆動電流ＩＣは、指数関数
である以下の表現によって、経験的に導かれたデータに対して最適となるように
近似される。
【数２】
【００２８】この場合、Ｔを、レーザダイオードデバイスの温度とし、差の等式
の第１及び第２指数の分母を、カレントミラー回路のトランジスタＱｘ，Ｑｙそ
れぞれの電流利得係数とする。
【００２９】所定の温度範囲に亘って回路３０から実際に発生する駆動電流ＩＣ 及びバイアス電流ＩＢを、回路係数に依存する複数の温度の組合わせの結果とし
て５又は１０％の範囲内でこれら指数関数に従わせることができ、そのパラメー
タを、主にサーミスタ３２の可変抵抗とするが、カレントミラー回路のトランジ
スタＱｘ，Ｑｙの電流利得の温度変化、差動対の電流利得の温度に起因する変化
及び作動トランジスタ対Ｑｌ０ｌ，Ｑｌ０２の非線形動作とすることもできる。
【００３０】アナログの性質にもかかわらず、本発明の温度補償したレーザダイ
オード駆動回路２０の電流出力ＩＣ，ＩＢは、上記指数関数を十分に近似するよ
うに温度とともに変化する。測定される回路動作は、本発明の回路によって発生
した温度補償されたバイアス電流及び駆動電流が約±５％内で実際の指数関数を
近似できることを示し、その結果、光電子送信器の動作が十分満足されることが
わかる。
【００３１】図３は、Ｈｉｇｈ及びＬａｗのラベルを付した２個の曲線を示す。
Ｈｉｇｈの曲線は、最大すなわちピークの交流駆動電流出力すなわちＩＣｍａｘ
をプロットし、Ｌｏｗの曲線は、バイアス電流出力ＩＢをプロットし、いずれも
レーザダイオードＬＤの０℃から９０℃の温度変化の範囲に亘るものである。こ
れら二つの曲線は、レーザダイオードに送られる実際の電流を表すが、限定され
た個数のデータポイントに基づくものであり、したがって、実際に発生する曲線
の上下の電流変化を示さない。しかしながら、これらの変化は、二つの曲線によ
って表した値の既に説明した約±５％の範囲内である。
【００３２】上側の曲線と下側の曲線との間の垂直方向の広がりは、交流駆動電
流ＩＣに上記直流成分を加えたものの振幅を表す。すなわち、下側の曲線は、ダ
イオードＬＤを発光のしきい値に保持する温度補償バイアス電流ＩＢを表す。こ
れに対して、レーザダイオードの調整された光出力に応答する交流／直流変調し
た駆動電流ＩＣを加算する。図３に示すように、駆動電流ＩＣは、同一温度範囲
に亘る温度上昇に伴う勾配がバイアス電流出力ＩＢよりも急峻であり、その結果
、温度上昇に伴つて交流成分の振幅が増大して、レーザダイオードの効率の減少
を補償する。
【００３３】これまでの説明から、レーザダイオードの温度補償回路が完全にア
ナログ的に設計されていることがわかり、その結果、最小の外部パーツを有する
高周波集積回路をボード上で簡単に実現することができる。
【００３４】本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及
び変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバを有する送信器における典型的なレーザダイオード及びサー
ミスタの配置の上面図である。
【図２】アナログ温度補償回路の配線図である。
【図３】レーザダイオードの温度変化の関数として交流変調した駆動電流の振幅
及びバイアス電流をプロットする二つの曲線を示す。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーザダイオードと、そのレーザダイオードに交流駆動電流を供給
    する駆動回路とを有する送信器用の温度補償回路であって、 前記レーザダイオードの熱検出を行うために配置したサーミスタと、 そのサーミスタによって制御される第１及び第２電流出力部を有する電流源と
    を具え、 前記第１電流出力部を、前記駆動回路を温度補償するために前記駆動回路に接
    続し、前記第２電流出力部を、温度補償されたバイアス電流を前記レーザダイオ
    ードに供給するように接続したことを特徴とする温度補償回路。
  2. 【請求項２】前記第１電流が、前記サーミスタによって検出した温度の上昇とと
    もに前記交流駆動電流の振幅を増大させるように作用することを特徴とする請求
    項１記載の温度補償回路。
  3. 【請求項３】前記温度補償されたバイアス電流が、前記サーミスタによって検出
    した温度の上昇とともに上昇することを特徴とする請求項１記載の温度補償回路
    。
  4. 【請求項４】前記電流源が、第１及び第２電流出力を発生させるカレントミラー
    回路を具えることを特徴とする請求項１記載の温度補償回路。
  5. 【請求項５】前記サーミスタを固定抵抗に並列接続したことを特徴とする請求項
    １記載の温度補償回路。
  6. 【請求項６】前記電流源をアナログ回路としたことを特徴とする請求項１記載の
    温度補償回路。
  7. 【請求項７】前記交流駆動電流及びバイアス電流を、それぞれ、前記サーミスタ
    の温度に起因する抵抗変化に応答する指数的に温度補償した電流出力曲線に沿つ
    て変動させることを特徴とする請求項６記載の温度補償回路。
  8. 【請求項８】前記交流駆動電流に、前記サーミスタによって検出した温度の増大
    とともに増大する振幅をもたせたことを特徴とする請求項７記載の温度補償回路
    。
  9. 【請求項９】レーザダイオードと、そのレーザダイオードに交流駆動電流を供給
    して光出力を発生させる駆動回路とを有する送信器用の温度補償回路であって、 第１及び第２出力部を有するアナログ電流発生回路と、 前記レーザダイオードの近傍で熱的に反応するように配置するとともに、前記
    第１及び第２電流出力部を制御するために前記アナログ電流発生回路に接続した
    サーミスタとを具え、 前記第１電流出力部を、前記交流駆動電流の振幅を制御するために前記駆動回
    路に接続し、前記第２電流出力部を、前記レーザダイオードにバイアス電流を供
    給するように接続し、前記駆動電流の振幅及びダイオードのバイアス電流を、前
    記レーザダイオードの温度変化に対して補償して、前記光出力の変動を減少させ
    るように構成したことを特徴とする温度補償回路。
  10. 【請求項１０】レーザダイオードと、そのレーザダイオードに交流駆動電流を供
    給して光出力を発生させる駆動回路とを有する送信器用の温度補償回路であって
    、 交流駆動電流の振幅を制御するとともに前記レーザダイオードにバイアス電流
    を供給するためにそれぞれ接続した第１及び第２電流出力部を有する単一のアナ
    ログカレントミラー回路と、 前記レーザダイオードと熱検出関係となるようにサーミスタを配置し、かつ、
    前記交流駆動電流振幅を増大させるようにようにするとともに前記レーザダイオ
    ードの温度変化と一般的に指数関係で繭記レーザダイオードのバイアス電流を増
    大させるように前記第１及び第２電流出力部を制御するように接続して、温度変
    化の範囲全体に亘るレーザダイオードの光出力の変動を減少させるように構成し
    たことを特徴とする温度補償回路。
JP2000544038A 1998-04-14 1999-04-13 レーザダイオードの温度補償 Pending JP2002511658A (ja)

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