JP2004273631A - 直接変調型光モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】直接変調型光モジュールにおいて、アイパターンのアイ開口度を高め、伝送距離を伸ばす。
【解決手段】半導体レーザに入力する駆動用の入力電流を、立下り時間変化率（傾き）が立上り時間変化率よりも小さいものとする。また、少なくとも立上りによる過渡状態にはオーバーシュートさせるものとする。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体レーザに入力する駆動用の入力電流を、立下り時間変化率（傾き）が立上り時間変化率よりも小さいものとする。また、少なくとも立上りによる過渡状態にはオーバーシュートさせるものとする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接変調型光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に従来の直接変調型光モジュールの構成例を示す。図１０において、１’は直接変調型光モジュール、２’は半導体レーザ、３’は、伝送信号に基づいて電流を変化させて半導体レーザ２’を駆動する駆動回路（ドライバ回路）、４’は、半導体レーザ２’から出射されるレーザ光を集束させるためのレンズ、５’はレーザ光を通す光ファイバー、７’は、半導体レーザ２’にバイアス電流を流すためのバイアス回路である。
【０００３】
かかる構成において、バイアス回路７’によりバイアス電流を流した状態で半導体レーザ２’が駆動回路３’により駆動されると、該半導体レーザ２’は、該駆動回路３’から入力される電流（以下、場合により入力電流と称する。）に応じたレーザ光を発生する。該レーザ光はレンズ４’により集束され、情報伝送用の光信号として光ファイバー５’内に入る。図１１に、上記入力電流２０の波形例（（ａ））と、半導体レーザ２’から出射される光出力（レーザ光出力）２１の波形例（（ｂ））と、該光出力を光伝送装置の光波形評価規格で決められたがフィルタを通し１ビットのデータの時間毎に重ね合わすことで形成されるアイパターンの波形例（（ｃ））とを示す。従来技術ではこのように、駆動回路３’は入力電流２０の立上り時間２０ａと立下り時間２０ｂがほぼ等しい台形波、つまり立上り時間変化率と立下り時間変化率がほぼ等しい台形波を出力する（（ａ））。半導体レーザ２’は光波形の立上り時に緩和振動を持つため、光出力２１の立上り時間変化率２１ａが立下り時間変化率２１ｄよりも小さい急峻でリンギングのある波形になる（（ｂ））。リンギングが大きいと光波形評価規格できめられたフィルタを通してもとりきることができなく、アイ開口度が低下してしまう。そこで駆動回路にフィードフォワード回路を設け、光出力波形のリンギングを抑制し、アイ開口度を高める技術がある（特許文献１）。
また、他の従来技術の一つに、光出力波形の立ち上がり時のリンギングを抑制しつつ、駆動電流を高速に立ち下げることを目的としたトランジスタと抵抗器とを組み合わせた駆動回路で、パルス波を供給した場合に所定の回数に分けて立ち上がる波形の電流を出力するものがある（特許文献２、図４）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２１４７８１号公報
【特許文献２】
特開２００３−１７８００号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の立上り時間と立下り時間が同じ電流を出力する駆動回路を用いる場合に、半導体レーザ２’の光出力の立下り波形を急峻にすることによってアイ開口度を向上させるようとすると、立上り波形も急峻にせざるをえない。立上り波形を急峻にすると、立上り時の緩和振動２１ｂ（リンギング）が大きくなり、アイパターン波形のアイ開口度を減少させ、伝送距離を短くしてしまう。
逆に、電流２０の立上り時間長くし、立上り波形を緩やかに（時間変化率が小さく）するとリンギングは減少するが、光出力波形の立下り時間２１ｄが長くなり、立下り波形も緩やかになるのため、隣のデータとの干渉が生じて必要な伝送速度、例えば１０Ｇｂｐｓでの伝送が不可能となる。
また、立ち上がりのリンギングは、立上がりの急峻さ（時間変化率）と立上がり量（振幅）により影響を受ける。従って、特許文献２に記載された技術のように、所定回数に分けることでリンギングの振幅を小さくし、さらに立上がり後にリンギングを解消する時間を設けることによっても、分割された最終立上りによるリンギングを抑制することはできる。
【０００６】
しかし、特許文献２に記載された方法では、分割した電流の立上がりが急峻な矩形波であるため、リンギングが分割して起こる。このリンギングは波形の立上り部分に重畳するため、アイの開口度を低下させてしまう。アイの開口度を低下させないように分割数を細かくすると、駆動回路の回路規模が大きくなるとともに、例えば１０Ｇｂｐｓの伝送に必要な２０〜３０ｐｓの立上り時間で数分割するとなると、回路を１０ｐｓ以下で制御する必要があり実現は困難である。
さらに、特許文献１及び２にある従来の技術には共通するアイ開口度を低下させる次の問題もある。
半導体レーザ２’の光出力波形は、緩和振動によるリンギングのある過渡期間（波形の部分２１ｃ）で光強度が落ち込むため、緩やかにピーク値に向かって上昇する光波形となる。そのため、従来技術では、かかる理由によってもアイ開口度が低下していた。
本発明の目的は、直接変調型光モジュールのアイ開口度を高めることにより、伝送距離を延ばすことにある。特に、１０Ｇｂｐｓ以上の光伝送モジュールの伝送距離を延ばすことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する発明を本願は複数含んでいるが、代表的なものは次の通りである。
（１）直接変調型光モジュールの駆動ＩＣに、立下りの時間変化率が立上りの時間変化率よりも大きい台形波の電流を半導体レーザに出力するものを用いる。
このように、半導体レーザに、立下りの時間変化率が立上りの時間変化率よりも大きい台形波の電流を流すことにより、リンギングを小さくし、伝送距離を伸ばすことができる。
（２）直接変調型光モジュールの駆動ＩＣに、立上り時にオーバーシュートした波形の電流を半導体レーザに出力するものを用いる。
【０００８】
このように、立ち上がり時間後の過渡期間に半導体レーザに入力する電流値を予め上昇させて定常状態よりも大きな電流を流すことで、リンギングによる過渡期間だけ光出力を強くし、アイ開口率を向上させることができる。従って、伝送距離を向上させることができる。
（３）上述した（１）及び（２）の駆動回路として、電流の立上り時間変化率と立下り時間変化率の関係が、立上り時間／立下り時間≧１．３とするものを用いることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は光モジュールの概念図である。
図１において、１は直接変調型光モジュール、２は入力された電流に応じ光を変調し、レーザ光を出力する半導体レーザ、３は半導体レーザ２に供給する電流を形成して出力する駆動電流出力手段としての駆動回路（ドライバ回路）、４は半導体レーザ２で出射されるレーザ光を集束させるためのレンズ、５はレーザ光を通す光ファイバー、７は半導体レーザ２にバイアス電流を流すためのバイアス回路、８は、駆動回路３を制御し上記入力電流の特性を制御する制御手段としての制御回路、９は、制御回路８内にあって上記入力電流の立上り時間及び立下り時間を設定することにより、立上りにおける時間変化率及び立下りにおける立下り時間変化率を設定する時間設定回路、１０は、同じく制御回路８内にあって上記入力電流の立上り特性におけるオーバーシュート特性（増加させた電流値の幅）を設定するオーバーシュート設定回路である。上記駆動回路３、バイアス回路７及び制御回路８は、レーザ制御駆動回路を形成する。
【００１０】
上記半導体レーザ２は、バイアス回路７によりバイアス電流を流された状態で、駆動回路３から供給される電流により駆動され、該入力電流に応じ変調されたレーザ光を発生する。
なお、立上り時間変化率／立下り時間変化率のほぼ等しいパルス（理想は１．０以下であるが、信号特性の変動等を考慮した場合１．１以下のパルス）の電流を与えると、図３（ｂ）に示すように、立上り時に緩和振動２１ｂを生じ、その後一定値に達するまで光パワーは徐々に上昇し（２１ｃ）、緩和振動２１ｂのため光パワーの立上り時間は立下り時間より速く、電流の立上り時間を速くすると緩和振動２１ｂは大きくなる半導体レーザを用いている。
【００１１】
駆動回路３は伝送用信号により制御され上記変調された入力電流を形成する。該駆動回路３はさらに、上記制御回路８により、上記形成する入力電流の立上り時間と立下り時間を設定することにより、立上り時間変化率と立下がり時間変化率が制御される。制御回路８内における時間設定回路９では、入力電流の立上り時間または立下り時間を設定し、立下り時間が立上り時間よりも短くなるようにする。つまり、立下り時間変動率を立上り時間変動率より大きく設定する。
【００１２】
また、制御回路８内におけるオーバーシュート設定回路１０では、入力電流の立上り特性がオーバーシュート部を有するように特性設定を行う。つまり、少なくとも過渡状態においてはピーク値よりも大きな電流値を流すように設定する。なお、この設定は立下り終了時まで（１ビットのデータの時間分）継続してもよい。
上記のように、電流の立下り時間変動率が立上り時間変動率よりも大きくなるようにすることにより、立下り時間変動率の小ささに起因するアイ開口率の低下を抑制できる（アイ開口率を向上できる）ので、伝送距離を伸ばすことができる。
また、電流の立上り特性がオーバーシュート部を有するようにすることにより、アイ開口度を向上できるので伝送距離を伸ばすことができる。
なお、アイ開口度を向上させたことは、言い換えると、アイパターン波形のマスク仕様に対するマージンを増大させることともいえる。
半導体レーザ２から出射されたレーザ光は、レンズ４により集束され、情報伝送用の光信号として光ファイバー５内に入射される。
【００１３】
図２は、上記図１の駆動回路３から出力される入力電流の波形例（（ａ））と、上記図１の半導体レーザ２から出射される光出力（レーザ光出力）の波形例（（ｂ））と、該光出力がフィルタを通され１ビットのデータの時間毎に重ね合わされることで形成されるアイパターンの波形例（（ｃ））である。
図２において、３０は入力電流波形、３０ａは入力電流の立上り時間、３０ｂは同オーバーシュート時間、３０ｃは同立下り時間、３１は光出力波形、３１ａは光出力波形の立上り時間、３１ｂは光緩和振動時間（リンギングによる過渡期間）、３１ｃは光立下り時間、３２はアイパターン波形におけるマスク仕様である。
【００１４】
入力電流波形３０では、入力電流の立下り時間３０ｃは、光出力波形３１の立下り時間３１ｃが十分短くなるような値に設定されるとともに、立上り時間３０ａは、光出力波形３１の緩和振動時間３１ｂがアイパターン波形に影響を与えないよう値に設定される。該設定により、立下り時間３０ｃは立上り時間３０ａよりも短くされ、両者は、立上り時間変化率／立下り時間変化率≧１．３の関係を満たすようにされる。また、入力電流波形３０のオーバーシュートの設定は、光出力波形３１における緩和振動時間３１ｂの平均電圧値が振幅値と略同じになるような設定としてもよい。例えば、１０Ｇｂｐｓ直接変調型光モジュールの場合には、２０％〜８０％の定義での立上り／立下り時間において、立下り時間≦１５×１０−１２ｓ、かつ、立上り時間−立下り時間≧１４×１０−１２ｓとし、さらに、入力電流波形３０のオーバーシュートの設定を、光出力波形３１における緩和振動時間３１ｂにおける平均電圧値が振幅値と略同じになるように設定する構成が考えられる。
【００１５】
図３は、入力電流の立上り時間を調整可能な制御回路と駆動回路の第１の構成例を示す図、図４はその動作波形を示す図である。
図３において、３ａは駆動回路、２ａはデータ信号の入力端子、２ｂは逆相のデータ信号の入力端子、４９は入力波形を整形する波形整形回路、４５、４６はドライバの出力電流（＝半導体レーザの入力電流）を生成し出力するトランジスタ、４７は定電流源、４０はエミッタフォロア回路、４１は、エミッタフォロア回路４０のバイアス電流を流すトランジスタ、４４はダイオード、４８は定電圧源、８は制御回路、９は時間設定回路、５０ａはバッファ、５２ａはサーミスタである。上記駆動回路３ａと制御回路８は、レーザ制御駆動回路を形成する。トランジスタ４５、４６及び定電流源４７は差動増幅回路を形成する。該差動増幅回路はエミッタフォロア回路４０により駆動される。トランジスタ４１と抵抗４２も定電流源を構成する。定電圧源４８は差動増幅回路のトランジスタ４６のベース電位を与える。ダイオード４４と抵抗４３は、上記差動増幅回路のトランジスタ４５のコレクタに接続され、それぞれ、半導体レーザ及びダンピング抵抗を模擬する。また、時間設定回路９内では、抵抗５１ａとサーミスタ５２ａで分圧した電圧が、バッファ５０ａで適当な電圧値に変換される。
【００１６】
上記エミッタフォロア回路４０の立上り時間は、該エミッタフォロア４０のエミッタ抵抗とトランジスタ４５のベースに接続される寄生容量やミラー容量によって決まるが、立下り時間は、トランジスタ４１と抵抗４２で構成される定電流源の電流値によって決まる。このため、時間設定回路９により、トランジスタ４１のベース電圧を下げて定電流源の電流値を小さくすると、エミッタフォロア回路４０の立上り時間を変えずに立下り時間を長くすることができる。すなわち差動増幅回路の出力トランジスタ４５のベース電圧Ｖｂの立下り時間だけを伸ばすことができる（図４（ａ）の実線６０ａ）。また、トランジスタ４５のベース電圧Ｖｂの立下り時間が遅いと、駆動回路３ａから出力され半導体レーザに供給される入力電流Ｉｍの立上り時間が長くなり（図４（ｂ）の実線６１ａ）、半導体レーザの光出力波形の立上り時間を長くすることができる。時間設定回路９では、抵抗５１ａとサーミスタ５２ａで分圧された電圧をバッファ５０ａに入力する。このため、周囲温度の変化等によりモジュールの温度が低くなると、トランジスタ４１のベース電圧が低くなり、駆動回路３ａの出力電流（＝半導体レーザに入力される入力電流）の立上り時間は長くなる。つまり、立上り時間変化率を小さくすることができる。
【００１７】
なお、上記構成では、時間設定回路９内の構成として、温度特性をもたせるためにサーミスタ５２ａを用いているが、これに替えて他の素子を用いてもよい。また、温度特性をもたせる必要がない場合は、時間設定回路９を定電圧源や抵抗分圧回路などで構成するようにしてもよい。また、駆動回路３ａ内の構成として、波形整形回路４９の入力はデータ信号２ａ、２ｂのどちらか一方のみであってもよい。該波形整形回路４９に、例えばラッチ回路とクロック入力端子を加えるなどし、波形をリタイミングするようにしてもよい。ダイオード４４及び抵抗４３は設けない構成であってもよい。また、トランジスタは、バイポーラトランジスタに限定せず、例えばＭＯＳトランジスタを用いてもよい。
【００１８】
図５は、入力電流の立上り時間変化率を調整可能な制御回路と駆動回路の第２の構成例を示す図である。本第２の構成例では、差動増幅回路を構成するトランジスタのベースに、エミッタフォロア回路と、該エミッタフォロア回路のバイアス電流を流す低電流源とを接続している。
図５において、３ｂは駆動回路、６４はエミッタフォロア回路、６７は定電圧源、６５は、抵抗６６及び定電圧源６７とともに定電流源を構成するトランジスタである。上記駆動回路３ｂと制御回路８は、レーザ制御駆動回路を形成する。他の構成要素は上記図３の場合と同様である。エミッタフォロア回路６４の入力としては、上記図３のエミッタフォロア回路４０と逆相の信号を用いる。抵抗６６と定電圧源６７は、エミッタフォロア回路６４の立上り時間と立下り時間とを互いに略等しくなるように調整する。
本第２の構成例によれば、差動増幅回路のトランジスタ４６に信号が印加されるため、立上り時間と立下り時間とをともに短くすることが可能となる。
【００１９】
図６は、入力電流の立上り時間変化率を調整可能な制御回路と駆動回路の第３の構成例を示す図、図７はその動作波形を示す図である。本第３の構成例では差動増幅回路を２個用いる。
【００２０】
図６において、３ｃは駆動回路、７０、７１、７８、７９はエミッタフォロア回路、８２は微分回路、７４、７５、７６は、もう１つの差動増幅回路を構成するトランジスタ、７２、７３、８０、８１は定電流源である。上記駆動回路３ｃと制御回路８は、レーザ制御駆動回路を形成する。他の構成要素は上記図３の場合と同様である。微分回路８２は、波形整形回路４９の出力から立上りエッジを検出しその微分波形を生成する。エミッタフォロア回路７８、７９は、トランジスタ４５、４６を備えて成る一方の差動増幅回路を駆動し、エミッタフォロア回路７０、７１は、トランジスタ７４、７５を備えて成るもう一方の差動増幅回路を駆動する。一方の差動増幅回路のトランジスタ４６のコレクタと、もう一方の差動増幅回路のトランジスタ７５のコレクタとは互いに接続されている。また、図７において、（ａ）は、一方の差動増幅回路のトランジスタ４６のコレクタ電流８５の波形、（ｂ）は、もう一方の差動増幅回路のトランジスタ７５のコレクタ電流８６の波形、（ｃ）は駆動回路３ｃから出力される電流（半導体レーザに供給される入力電流）８７の波形である。電流８７は、値はコレクタ電流８５とコレクタ電流８６との和になり、立上り時間のみが長くされる。また、トランジスタ７５のコレクタ電流８６の振幅は、差動増幅回路の定電流源を構成するトランジスタ７６のベース電圧によって決まるため、該トランジスタ７６のベースに時間設定回路９の出力を入力させることで、立上り時間変化率の調整が可能となる。
【００２１】
図８は、入力電流の立上り特性におけるオーバーシュートを調整可能な制御回路と駆動回路の構成例を示す図、図９はその動作波形を示す図である。本構成例も２個の差動増幅回路を用いる。
図８において、３ｄは駆動回路、９０、９１、９８、９９はエミッタフォロア回路、１０２はパルス発生回路、９４、９５、９６は、もう１つの差動増幅回路を構成するトランジスタ、９２、９３、１００、１０１は定電流源、１０はオーバーシュート設定回路である。上記駆動回路３ｄと制御回路８は、レーザ制御駆動回路を形成する。他の構成要素は上記図３の場合と同様である。パルス回路１０２は、波形整形回路４９の出力から立上りエッジを検出し、所定のパルス幅のパルスを発生する。該パルスのパルス幅は、パルス発生回路１０２内の遅延回路により、徐々に振幅を増やす半導体レーザの立上り波形に合わせて決められる。該パルスは、この他、例えば駆動回路３ｄにクロック信号を入力し、１クロック分あるいは数クロック分のパルス幅のものを形成するようにしてもよい。エミッタフォロア回路９８、９９は、トランジスタ４５、４６を備えて成る一方の差動増幅回路を駆動し、エミッタフォロア回路９０、９１は、トランジスタ９４、９５を備えて成るもう一方の差動増幅回路を駆動する。一方の差動増幅回路のトランジスタ４６のコレクタと、もう一方の差動増幅回路のトランジスタ９５のコレクタとは互いに接続されている。オーバーシュート設定回路１０内では、抵抗５１ｂとサーミスタ５２ｂにより分圧された電圧が、バッファ５０ｂにより適当な電圧値に変換される。
【００２２】
また、図９において、（ａ）は、一方の差動増幅回路のトランジスタ４６のコレクタ電流１０５の波形、（ｂ）は、もう一方の差動増幅回路のトランジスタ９５のコレクタ電流１０６の波形、（ｃ）は駆動回路３ｄから出力される電流（半導体レーザに供給される入力電流）１０７の波形である。電流１０７は、値はコレクタ電流１０５とコレクタ電流１０６との和になり、立上り特性がオーバーシュート部を有するようにされる。また、トランジスタ９５のコレクタ電流１０６の振幅は、差動増幅回路の定電流源を構成するトランジスタ９６のベース電圧によって決まるため、該トランジスタ９６のベースにオーバーシュート設定回路１０の出力を入力させることで、オーバーシュートの調整が可能となる。
【００２３】
なお、上記図３〜図７の例では、立上り時間変化率の制御を行う構成としたが、本発明はこれに限定されず、立下り時間を制御してもよいし、または、立上り時間と立下り時間の両方を制御する構成としてもよい。また、図８〜図９の例では、立上り時のオーバーシュートを制御する構成としたが、本発明はこれに限定されず、立上り時のオーバーシュートの制御と併せ、立上り時間または立下り時間のいずれか一方または両方の制御を行う構成であってもよい。さらに、制御回路８と駆動回路とバイアス回路７は、それぞれを適宜組合わせて、その一部の組合わせまたは全部の組合わせを、１つの回路内に含めて構成してもよいし、それぞれを別個の回路としてもよい。また、上記一部の組合わせまたは全部の組合わせを１つの集積回路として１個のＩＣチップ中に含ませる構成するようにしてもよいし、全て別個のＩＣチップを用いてもよいし、任意の組み合わせのＩＣチップを用いてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、直接変調型光モジュールの光出力波形のアイ開口度を向上させることができるので、直接変調型光モジュールの伝送距離を伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直接変調型光モジュールの概念図である。
【図２】図１の直接変調型光モジュールにおける半導体レーザの、入力電流、光出力及びアイパターンの各波形例を示す図である。
【図３】入力電流の立上り時間を調整可能な制御回路と駆動回路の第１の構成例を示す図である。
【図４】図３の構成における動作波形例を示す図である。
【図５】入力電流の立上り時間を調整可能な制御回路と駆動回路の第２の構成例を示す図である。
【図６】入力電流の立上り時間を調整可能な制御回路と駆動回路の第３の構成例を示す図である。
【図７】図６の構成における動作波形例を示す図である。
【図８】入力電流のオーバーシュートを調整可能な制御回路と駆動回路の構成例を示す図である。
【図９】図８の構成における動作波形例を示す図である。
【図１０】従来の直接変調型光モジュールの構成例を示す図である。
【図１１】従来の直接変調型光モジュールの動作波形例を示す図である。
【符号の説明】
１、１’…直接変調型光モジュール、 ２、２’…半導体レーザ、 ２ａ、２ｂ…データ信号の入力端子、 ３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３’…駆動回路、 ４、４’…レンズ、 ５、５’…光ファイバー、 ７、７’…バイアス回路、 ８…制御回路、 ９…時間設定回路、 １０…オーバーシュート設定回路、 ４０、７０、７１、７８、７９、９０、９１、９８、９９…エミッタフォロア回路、４４…ダイオード、 ４５、４６、７４、７５、９４、９５、９６…差動増幅回路を構成するトランジスタ、 ４７、７２、７３、８０、８１、９２、９３、１００、１０１…定電流源、 ４８、６７…定電圧源、 ４９…波形整形回路、５０ａ、５０ｂ…バッファ、 ５２ａ、５２ｂ…サーミスタ、 ８２…微分回路、 １０２…パルス発生回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接変調型光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に従来の直接変調型光モジュールの構成例を示す。図１０において、１’は直接変調型光モジュール、２’は半導体レーザ、３’は、伝送信号に基づいて電流を変化させて半導体レーザ２’を駆動する駆動回路（ドライバ回路）、４’は、半導体レーザ２’から出射されるレーザ光を集束させるためのレンズ、５’はレーザ光を通す光ファイバー、７’は、半導体レーザ２’にバイアス電流を流すためのバイアス回路である。
【０００３】
かかる構成において、バイアス回路７’によりバイアス電流を流した状態で半導体レーザ２’が駆動回路３’により駆動されると、該半導体レーザ２’は、該駆動回路３’から入力される電流（以下、場合により入力電流と称する。）に応じたレーザ光を発生する。該レーザ光はレンズ４’により集束され、情報伝送用の光信号として光ファイバー５’内に入る。図１１に、上記入力電流２０の波形例（（ａ））と、半導体レーザ２’から出射される光出力（レーザ光出力）２１の波形例（（ｂ））と、該光出力を光伝送装置の光波形評価規格で決められたがフィルタを通し１ビットのデータの時間毎に重ね合わすことで形成されるアイパターンの波形例（（ｃ））とを示す。従来技術ではこのように、駆動回路３’は入力電流２０の立上り時間２０ａと立下り時間２０ｂがほぼ等しい台形波、つまり立上り時間変化率と立下り時間変化率がほぼ等しい台形波を出力する（（ａ））。半導体レーザ２’は光波形の立上り時に緩和振動を持つため、光出力２１の立上り時間変化率２１ａが立下り時間変化率２１ｄよりも小さい急峻でリンギングのある波形になる（（ｂ））。リンギングが大きいと光波形評価規格できめられたフィルタを通してもとりきることができなく、アイ開口度が低下してしまう。そこで駆動回路にフィードフォワード回路を設け、光出力波形のリンギングを抑制し、アイ開口度を高める技術がある（特許文献１）。
また、他の従来技術の一つに、光出力波形の立ち上がり時のリンギングを抑制しつつ、駆動電流を高速に立ち下げることを目的としたトランジスタと抵抗器とを組み合わせた駆動回路で、パルス波を供給した場合に所定の回数に分けて立ち上がる波形の電流を出力するものがある（特許文献２、図４）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２１４７８１号公報
【特許文献２】
特開２００３−１７８００号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の立上り時間と立下り時間が同じ電流を出力する駆動回路を用いる場合に、半導体レーザ２’の光出力の立下り波形を急峻にすることによってアイ開口度を向上させるようとすると、立上り波形も急峻にせざるをえない。立上り波形を急峻にすると、立上り時の緩和振動２１ｂ（リンギング）が大きくなり、アイパターン波形のアイ開口度を減少させ、伝送距離を短くしてしまう。
逆に、電流２０の立上り時間長くし、立上り波形を緩やかに（時間変化率が小さく）するとリンギングは減少するが、光出力波形の立下り時間２１ｄが長くなり、立下り波形も緩やかになるのため、隣のデータとの干渉が生じて必要な伝送速度、例えば１０Ｇｂｐｓでの伝送が不可能となる。
また、立ち上がりのリンギングは、立上がりの急峻さ（時間変化率）と立上がり量（振幅）により影響を受ける。従って、特許文献２に記載された技術のように、所定回数に分けることでリンギングの振幅を小さくし、さらに立上がり後にリンギングを解消する時間を設けることによっても、分割された最終立上りによるリンギングを抑制することはできる。
【０００６】
しかし、特許文献２に記載された方法では、分割した電流の立上がりが急峻な矩形波であるため、リンギングが分割して起こる。このリンギングは波形の立上り部分に重畳するため、アイの開口度を低下させてしまう。アイの開口度を低下させないように分割数を細かくすると、駆動回路の回路規模が大きくなるとともに、例えば１０Ｇｂｐｓの伝送に必要な２０〜３０ｐｓの立上り時間で数分割するとなると、回路を１０ｐｓ以下で制御する必要があり実現は困難である。
さらに、特許文献１及び２にある従来の技術には共通するアイ開口度を低下させる次の問題もある。
半導体レーザ２’の光出力波形は、緩和振動によるリンギングのある過渡期間（波形の部分２１ｃ）で光強度が落ち込むため、緩やかにピーク値に向かって上昇する光波形となる。そのため、従来技術では、かかる理由によってもアイ開口度が低下していた。
本発明の目的は、直接変調型光モジュールのアイ開口度を高めることにより、伝送距離を延ばすことにある。特に、１０Ｇｂｐｓ以上の光伝送モジュールの伝送距離を延ばすことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する発明を本願は複数含んでいるが、代表的なものは次の通りである。
（１）直接変調型光モジュールの駆動ＩＣに、立下りの時間変化率が立上りの時間変化率よりも大きい台形波の電流を半導体レーザに出力するものを用いる。
このように、半導体レーザに、立下りの時間変化率が立上りの時間変化率よりも大きい台形波の電流を流すことにより、リンギングを小さくし、伝送距離を伸ばすことができる。
（２）直接変調型光モジュールの駆動ＩＣに、立上り時にオーバーシュートした波形の電流を半導体レーザに出力するものを用いる。
【０００８】
このように、立ち上がり時間後の過渡期間に半導体レーザに入力する電流値を予め上昇させて定常状態よりも大きな電流を流すことで、リンギングによる過渡期間だけ光出力を強くし、アイ開口率を向上させることができる。従って、伝送距離を向上させることができる。
（３）上述した（１）及び（２）の駆動回路として、電流の立上り時間変化率と立下り時間変化率の関係が、立上り時間／立下り時間≧１．３とするものを用いることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は光モジュールの概念図である。
図１において、１は直接変調型光モジュール、２は入力された電流に応じ光を変調し、レーザ光を出力する半導体レーザ、３は半導体レーザ２に供給する電流を形成して出力する駆動電流出力手段としての駆動回路（ドライバ回路）、４は半導体レーザ２で出射されるレーザ光を集束させるためのレンズ、５はレーザ光を通す光ファイバー、７は半導体レーザ２にバイアス電流を流すためのバイアス回路、８は、駆動回路３を制御し上記入力電流の特性を制御する制御手段としての制御回路、９は、制御回路８内にあって上記入力電流の立上り時間及び立下り時間を設定することにより、立上りにおける時間変化率及び立下りにおける立下り時間変化率を設定する時間設定回路、１０は、同じく制御回路８内にあって上記入力電流の立上り特性におけるオーバーシュート特性（増加させた電流値の幅）を設定するオーバーシュート設定回路である。上記駆動回路３、バイアス回路７及び制御回路８は、レーザ制御駆動回路を形成する。
【００１０】
上記半導体レーザ２は、バイアス回路７によりバイアス電流を流された状態で、駆動回路３から供給される電流により駆動され、該入力電流に応じ変調されたレーザ光を発生する。
なお、立上り時間変化率／立下り時間変化率のほぼ等しいパルス（理想は１．０以下であるが、信号特性の変動等を考慮した場合１．１以下のパルス）の電流を与えると、図３（ｂ）に示すように、立上り時に緩和振動２１ｂを生じ、その後一定値に達するまで光パワーは徐々に上昇し（２１ｃ）、緩和振動２１ｂのため光パワーの立上り時間は立下り時間より速く、電流の立上り時間を速くすると緩和振動２１ｂは大きくなる半導体レーザを用いている。
【００１１】
駆動回路３は伝送用信号により制御され上記変調された入力電流を形成する。該駆動回路３はさらに、上記制御回路８により、上記形成する入力電流の立上り時間と立下り時間を設定することにより、立上り時間変化率と立下がり時間変化率が制御される。制御回路８内における時間設定回路９では、入力電流の立上り時間または立下り時間を設定し、立下り時間が立上り時間よりも短くなるようにする。つまり、立下り時間変動率を立上り時間変動率より大きく設定する。
【００１２】
また、制御回路８内におけるオーバーシュート設定回路１０では、入力電流の立上り特性がオーバーシュート部を有するように特性設定を行う。つまり、少なくとも過渡状態においてはピーク値よりも大きな電流値を流すように設定する。なお、この設定は立下り終了時まで（１ビットのデータの時間分）継続してもよい。
上記のように、電流の立下り時間変動率が立上り時間変動率よりも大きくなるようにすることにより、立下り時間変動率の小ささに起因するアイ開口率の低下を抑制できる（アイ開口率を向上できる）ので、伝送距離を伸ばすことができる。
また、電流の立上り特性がオーバーシュート部を有するようにすることにより、アイ開口度を向上できるので伝送距離を伸ばすことができる。
なお、アイ開口度を向上させたことは、言い換えると、アイパターン波形のマスク仕様に対するマージンを増大させることともいえる。
半導体レーザ２から出射されたレーザ光は、レンズ４により集束され、情報伝送用の光信号として光ファイバー５内に入射される。
【００１３】
図２は、上記図１の駆動回路３から出力される入力電流の波形例（（ａ））と、上記図１の半導体レーザ２から出射される光出力（レーザ光出力）の波形例（（ｂ））と、該光出力がフィルタを通され１ビットのデータの時間毎に重ね合わされることで形成されるアイパターンの波形例（（ｃ））である。
図２において、３０は入力電流波形、３０ａは入力電流の立上り時間、３０ｂは同オーバーシュート時間、３０ｃは同立下り時間、３１は光出力波形、３１ａは光出力波形の立上り時間、３１ｂは光緩和振動時間（リンギングによる過渡期間）、３１ｃは光立下り時間、３２はアイパターン波形におけるマスク仕様である。
【００１４】
入力電流波形３０では、入力電流の立下り時間３０ｃは、光出力波形３１の立下り時間３１ｃが十分短くなるような値に設定されるとともに、立上り時間３０ａは、光出力波形３１の緩和振動時間３１ｂがアイパターン波形に影響を与えないよう値に設定される。該設定により、立下り時間３０ｃは立上り時間３０ａよりも短くされ、両者は、立上り時間変化率／立下り時間変化率≧１．３の関係を満たすようにされる。また、入力電流波形３０のオーバーシュートの設定は、光出力波形３１における緩和振動時間３１ｂの平均電圧値が振幅値と略同じになるような設定としてもよい。例えば、１０Ｇｂｐｓ直接変調型光モジュールの場合には、２０％〜８０％の定義での立上り／立下り時間において、立下り時間≦１５×１０−１２ｓ、かつ、立上り時間−立下り時間≧１４×１０−１２ｓとし、さらに、入力電流波形３０のオーバーシュートの設定を、光出力波形３１における緩和振動時間３１ｂにおける平均電圧値が振幅値と略同じになるように設定する構成が考えられる。
【００１５】
図３は、入力電流の立上り時間を調整可能な制御回路と駆動回路の第１の構成例を示す図、図４はその動作波形を示す図である。
図３において、３ａは駆動回路、２ａはデータ信号の入力端子、２ｂは逆相のデータ信号の入力端子、４９は入力波形を整形する波形整形回路、４５、４６はドライバの出力電流（＝半導体レーザの入力電流）を生成し出力するトランジスタ、４７は定電流源、４０はエミッタフォロア回路、４１は、エミッタフォロア回路４０のバイアス電流を流すトランジスタ、４４はダイオード、４８は定電圧源、８は制御回路、９は時間設定回路、５０ａはバッファ、５２ａはサーミスタである。上記駆動回路３ａと制御回路８は、レーザ制御駆動回路を形成する。トランジスタ４５、４６及び定電流源４７は差動増幅回路を形成する。該差動増幅回路はエミッタフォロア回路４０により駆動される。トランジスタ４１と抵抗４２も定電流源を構成する。定電圧源４８は差動増幅回路のトランジスタ４６のベース電位を与える。ダイオード４４と抵抗４３は、上記差動増幅回路のトランジスタ４５のコレクタに接続され、それぞれ、半導体レーザ及びダンピング抵抗を模擬する。また、時間設定回路９内では、抵抗５１ａとサーミスタ５２ａで分圧した電圧が、バッファ５０ａで適当な電圧値に変換される。
【００１６】
上記エミッタフォロア回路４０の立上り時間は、該エミッタフォロア４０のエミッタ抵抗とトランジスタ４５のベースに接続される寄生容量やミラー容量によって決まるが、立下り時間は、トランジスタ４１と抵抗４２で構成される定電流源の電流値によって決まる。このため、時間設定回路９により、トランジスタ４１のベース電圧を下げて定電流源の電流値を小さくすると、エミッタフォロア回路４０の立上り時間を変えずに立下り時間を長くすることができる。すなわち差動増幅回路の出力トランジスタ４５のベース電圧Ｖｂの立下り時間だけを伸ばすことができる（図４（ａ）の実線６０ａ）。また、トランジスタ４５のベース電圧Ｖｂの立下り時間が遅いと、駆動回路３ａから出力され半導体レーザに供給される入力電流Ｉｍの立上り時間が長くなり（図４（ｂ）の実線６１ａ）、半導体レーザの光出力波形の立上り時間を長くすることができる。時間設定回路９では、抵抗５１ａとサーミスタ５２ａで分圧された電圧をバッファ５０ａに入力する。このため、周囲温度の変化等によりモジュールの温度が低くなると、トランジスタ４１のベース電圧が低くなり、駆動回路３ａの出力電流（＝半導体レーザに入力される入力電流）の立上り時間は長くなる。つまり、立上り時間変化率を小さくすることができる。
【００１７】
なお、上記構成では、時間設定回路９内の構成として、温度特性をもたせるためにサーミスタ５２ａを用いているが、これに替えて他の素子を用いてもよい。また、温度特性をもたせる必要がない場合は、時間設定回路９を定電圧源や抵抗分圧回路などで構成するようにしてもよい。また、駆動回路３ａ内の構成として、波形整形回路４９の入力はデータ信号２ａ、２ｂのどちらか一方のみであってもよい。該波形整形回路４９に、例えばラッチ回路とクロック入力端子を加えるなどし、波形をリタイミングするようにしてもよい。ダイオード４４及び抵抗４３は設けない構成であってもよい。また、トランジスタは、バイポーラトランジスタに限定せず、例えばＭＯＳトランジスタを用いてもよい。
【００１８】
図５は、入力電流の立上り時間変化率を調整可能な制御回路と駆動回路の第２の構成例を示す図である。本第２の構成例では、差動増幅回路を構成するトランジスタのベースに、エミッタフォロア回路と、該エミッタフォロア回路のバイアス電流を流す低電流源とを接続している。
図５において、３ｂは駆動回路、６４はエミッタフォロア回路、６７は定電圧源、６５は、抵抗６６及び定電圧源６７とともに定電流源を構成するトランジスタである。上記駆動回路３ｂと制御回路８は、レーザ制御駆動回路を形成する。他の構成要素は上記図３の場合と同様である。エミッタフォロア回路６４の入力としては、上記図３のエミッタフォロア回路４０と逆相の信号を用いる。抵抗６６と定電圧源６７は、エミッタフォロア回路６４の立上り時間と立下り時間とを互いに略等しくなるように調整する。
本第２の構成例によれば、差動増幅回路のトランジスタ４６に信号が印加されるため、立上り時間と立下り時間とをともに短くすることが可能となる。
【００１９】
図６は、入力電流の立上り時間変化率を調整可能な制御回路と駆動回路の第３の構成例を示す図、図７はその動作波形を示す図である。本第３の構成例では差動増幅回路を２個用いる。
【００２０】
図６において、３ｃは駆動回路、７０、７１、７８、７９はエミッタフォロア回路、８２は微分回路、７４、７５、７６は、もう１つの差動増幅回路を構成するトランジスタ、７２、７３、８０、８１は定電流源である。上記駆動回路３ｃと制御回路８は、レーザ制御駆動回路を形成する。他の構成要素は上記図３の場合と同様である。微分回路８２は、波形整形回路４９の出力から立上りエッジを検出しその微分波形を生成する。エミッタフォロア回路７８、７９は、トランジスタ４５、４６を備えて成る一方の差動増幅回路を駆動し、エミッタフォロア回路７０、７１は、トランジスタ７４、７５を備えて成るもう一方の差動増幅回路を駆動する。一方の差動増幅回路のトランジスタ４６のコレクタと、もう一方の差動増幅回路のトランジスタ７５のコレクタとは互いに接続されている。また、図７において、（ａ）は、一方の差動増幅回路のトランジスタ４６のコレクタ電流８５の波形、（ｂ）は、もう一方の差動増幅回路のトランジスタ７５のコレクタ電流８６の波形、（ｃ）は駆動回路３ｃから出力される電流（半導体レーザに供給される入力電流）８７の波形である。電流８７は、値はコレクタ電流８５とコレクタ電流８６との和になり、立上り時間のみが長くされる。また、トランジスタ７５のコレクタ電流８６の振幅は、差動増幅回路の定電流源を構成するトランジスタ７６のベース電圧によって決まるため、該トランジスタ７６のベースに時間設定回路９の出力を入力させることで、立上り時間変化率の調整が可能となる。
【００２１】
図８は、入力電流の立上り特性におけるオーバーシュートを調整可能な制御回路と駆動回路の構成例を示す図、図９はその動作波形を示す図である。本構成例も２個の差動増幅回路を用いる。
図８において、３ｄは駆動回路、９０、９１、９８、９９はエミッタフォロア回路、１０２はパルス発生回路、９４、９５、９６は、もう１つの差動増幅回路を構成するトランジスタ、９２、９３、１００、１０１は定電流源、１０はオーバーシュート設定回路である。上記駆動回路３ｄと制御回路８は、レーザ制御駆動回路を形成する。他の構成要素は上記図３の場合と同様である。パルス回路１０２は、波形整形回路４９の出力から立上りエッジを検出し、所定のパルス幅のパルスを発生する。該パルスのパルス幅は、パルス発生回路１０２内の遅延回路により、徐々に振幅を増やす半導体レーザの立上り波形に合わせて決められる。該パルスは、この他、例えば駆動回路３ｄにクロック信号を入力し、１クロック分あるいは数クロック分のパルス幅のものを形成するようにしてもよい。エミッタフォロア回路９８、９９は、トランジスタ４５、４６を備えて成る一方の差動増幅回路を駆動し、エミッタフォロア回路９０、９１は、トランジスタ９４、９５を備えて成るもう一方の差動増幅回路を駆動する。一方の差動増幅回路のトランジスタ４６のコレクタと、もう一方の差動増幅回路のトランジスタ９５のコレクタとは互いに接続されている。オーバーシュート設定回路１０内では、抵抗５１ｂとサーミスタ５２ｂにより分圧された電圧が、バッファ５０ｂにより適当な電圧値に変換される。
【００２２】
また、図９において、（ａ）は、一方の差動増幅回路のトランジスタ４６のコレクタ電流１０５の波形、（ｂ）は、もう一方の差動増幅回路のトランジスタ９５のコレクタ電流１０６の波形、（ｃ）は駆動回路３ｄから出力される電流（半導体レーザに供給される入力電流）１０７の波形である。電流１０７は、値はコレクタ電流１０５とコレクタ電流１０６との和になり、立上り特性がオーバーシュート部を有するようにされる。また、トランジスタ９５のコレクタ電流１０６の振幅は、差動増幅回路の定電流源を構成するトランジスタ９６のベース電圧によって決まるため、該トランジスタ９６のベースにオーバーシュート設定回路１０の出力を入力させることで、オーバーシュートの調整が可能となる。
【００２３】
なお、上記図３〜図７の例では、立上り時間変化率の制御を行う構成としたが、本発明はこれに限定されず、立下り時間を制御してもよいし、または、立上り時間と立下り時間の両方を制御する構成としてもよい。また、図８〜図９の例では、立上り時のオーバーシュートを制御する構成としたが、本発明はこれに限定されず、立上り時のオーバーシュートの制御と併せ、立上り時間または立下り時間のいずれか一方または両方の制御を行う構成であってもよい。さらに、制御回路８と駆動回路とバイアス回路７は、それぞれを適宜組合わせて、その一部の組合わせまたは全部の組合わせを、１つの回路内に含めて構成してもよいし、それぞれを別個の回路としてもよい。また、上記一部の組合わせまたは全部の組合わせを１つの集積回路として１個のＩＣチップ中に含ませる構成するようにしてもよいし、全て別個のＩＣチップを用いてもよいし、任意の組み合わせのＩＣチップを用いてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、直接変調型光モジュールの光出力波形のアイ開口度を向上させることができるので、直接変調型光モジュールの伝送距離を伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直接変調型光モジュールの概念図である。
【図２】図１の直接変調型光モジュールにおける半導体レーザの、入力電流、光出力及びアイパターンの各波形例を示す図である。
【図３】入力電流の立上り時間を調整可能な制御回路と駆動回路の第１の構成例を示す図である。
【図４】図３の構成における動作波形例を示す図である。
【図５】入力電流の立上り時間を調整可能な制御回路と駆動回路の第２の構成例を示す図である。
【図６】入力電流の立上り時間を調整可能な制御回路と駆動回路の第３の構成例を示す図である。
【図７】図６の構成における動作波形例を示す図である。
【図８】入力電流のオーバーシュートを調整可能な制御回路と駆動回路の構成例を示す図である。
【図９】図８の構成における動作波形例を示す図である。
【図１０】従来の直接変調型光モジュールの構成例を示す図である。
【図１１】従来の直接変調型光モジュールの動作波形例を示す図である。
【符号の説明】
１、１’…直接変調型光モジュール、 ２、２’…半導体レーザ、 ２ａ、２ｂ…データ信号の入力端子、 ３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３’…駆動回路、 ４、４’…レンズ、 ５、５’…光ファイバー、 ７、７’…バイアス回路、 ８…制御回路、 ９…時間設定回路、 １０…オーバーシュート設定回路、 ４０、７０、７１、７８、７９、９０、９１、９８、９９…エミッタフォロア回路、４４…ダイオード、 ４５、４６、７４、７５、９４、９５、９６…差動増幅回路を構成するトランジスタ、 ４７、７２、７３、８０、８１、９２、９３、１００、１０１…定電流源、 ４８、６７…定電圧源、 ４９…波形整形回路、５０ａ、５０ｂ…バッファ、 ５２ａ、５２ｂ…サーミスタ、 ８２…微分回路、 １０２…パルス発生回路。
Claims (8)
- 半導体レーザに流す電流を伝送信号に応じて変化させて光の出力強度を変調する直接変調型光モジュールであって、
立下りの時間変化率が立上りの時間変化率よりも大きい台形波の電流を前記半導体レーザに出力する駆動回路を備えていることを特徴とする直接変調型光モジュール。 - 半導体レーザに流す電流を伝送信号に応じて変化させて光の出力強度を変調する直接変調型光モジュールであって、
立ち上がりに伴う過渡期間にオーバーシュートされた電流を出力する駆動回路を備えていることを特徴とする直接変調型光モジュール。 - 半導体レーザに流す電流を伝送信号に応じて変化させて光の出力強度を変調する直接変調型光モジュールであって、
外部から制御信号が入力されなければ、立下り時間が立上り時間と同じかもしくは長くなる伝送信号に対応した台形波の電流を出力する駆動回路と、
立下り時間が立上り時間よりも短い電流を出力するように上記駆動回路を制御する制御手段と、
を備えていることを特徴とする直接変調型光モジュール。 - 半導体レーザに流す電流を伝送信号に応じて変化させて光の出力強度を変調する直接変調型光モジュールであって、
伝送信号に対応した台形波の電流を出力する駆動回路と、
立ち上がりに伴う過渡期間にオーバーシュートさせた電流を出力するように上記駆動回路を制御する制御手段と、
を備えていることを特徴とする直接変調型光モジュール。 - 立上り時間変化率と立下り時間変化率の関係が、立上り時間／立下り時間≧１．３となるように駆動回路を制御するものであることを特徴とする請求項１又は３に記載の直接変調型光モジュール。
- オーバーシュートの値を、光出力波形の緩和振動部における平均電圧に基づく値とするように駆動回路を制御することを特徴とする請求項２又は４に記載の直接変調型光モジュール。
- 立上りと立下り時間がほぼ等しいパルスの変調電流を流した場合に、立上り時に緩和振動２１ｂが生じる半導体レーザと、
立下り時間が立上り時間よりも短い台形波の電流を前記半導体レーザに出力する駆動回路と、を備えていることを特徴とする直接変調型光モジュール。 - 立上り時に緩和振動２１ｂが生じる半導体レーザに対して、立下り時間が立上り時間よりも短い台形波の電流を流すことを特徴とする半導体レーザの駆動方法。
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