JP2005064132A - レーザーダイオード駆動回路及びレーザーダイオード駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザーダイオードの特性がばらついていてもその特性を正しく検出し、所望の平均出力光パワーと消光比を得ることのできるレーザーダイオード駆動回路及びレーザーダイオード駆動方法を提供する。
【解決手段】 制御回路２が複数個の電流値を電流源３に設定すると、電流源は電流値に応じた電流でレーザーダイオード８を発光させる。このとき、モニタフォトダイオード９の受光電流に基づいてパワー測定機能部４がレーザーダイオードの出力光パワーを測定する。記録部５には出力光パワーと電流値とが記録される。特性判定機能部６は記録された出力光パワーのうち、レーザーダイオードの閾値電流より小さい測定値を除外し、残った測定値からレーザーダイオードの電流対出力光パワー特性を推測する。Ｉ_L・Ｉ_H決定機能部７が電流対出力光パワー特性に基づいてバイアス電流と変調電流を決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光通信用レーザーダイオードを駆動するための、レーザーダイオード駆動回路及びレーザーダイオード駆動方法に関する。

図４はレーザーダイオードの一般的な特性を示す線図である。横軸はレーザーダイオードに流す電流Ｉを、縦軸はレーザーダイオードの出力光パワーＰをそれぞれ表している。レーザーダイオードに流す電流Ｉを０から徐々に増やしていくと閾値電流Ｉ_thまでは出力光パワーＰはほとんど増加しないが、閾値電流Ｉ_thを超えると出力光パワーＰは直線的に増加する。このときの直線の傾きをηとする。

このレーザーダイオードを用いてディジタルの電気信号を光信号に変換するには、電気信号のＨレベル、Ｌレベルにそれぞれ対応した電流Ｉ_H、Ｉ_L（Ｉ_L＜Ｉ_H）を閾値電流Ｉ_thよりも大きい範囲に決めれば、Ｈレベルに対して出力光パワーＰ_Hの光信号となり、Ｌレベルに対して出力光パワーＰ_Lの光信号となる。レーザーダイオードを用いてディジタル光信号を送出するには、その平均出力光パワーと消光比を一定に保つことが重要である。ディジタル信号のマーク率が０．５であれば、平均出力光パワーＰ_aveは次式で表され、
Ｐ_ave＝（Ｐ_H＋Ｐ_L）／２ …（１）
消光比ＥｘＲは次式で表される。
ＥｘＲ＝Ｐ_H／Ｐ_L …（２）

ここで、レーザーダイオードを駆動して所望の平均出力光パワーＰ_aveと消光比ＥｘＲを得るためには、あらかじめそのレーザーダイオードの特性、すなわち、閾値電流Ｉ_thと電流対出力光パワー特性としての直線の傾きηを知っておく必要がある。

従来のレーザーダイオード駆動方法は、図５に示すように、閾値電流Ｉ_thを超えると推測した適当なレーザーダイオード電流Ｉ_a、Ｉ_bを定め、そのときの出力光パワーＰ_a、Ｐ_bを求めることによって下記の関数式からレーザーダイオードの特性を得ている（例えば、下記の特許文献１参照）。

ただし、Ｐ≧０の範囲とする。
この（３）式から直線の傾きηを次式によって求める。

閾値電流Ｉ_thはＰ＝０とおいて次式によって求める。

このようにしてレーザーダイオードの特性を求めることができた。
特開平７−１４７４４６号公報

しかしながら、上記のような従来のレーザーダイオード駆動方法ではＩ_a、Ｉ_bを適切に決めないと、正しいレーザーダイオード特性が得られないという問題がある。例えば、Ｉ_aを閾値電流Ｉ_thよりも小さく設定してしまうと、誤った特性が得られてしまうし、それを恐れてＩ_aを大きすぎる値に設定してしまうとＩ_bとの差が小さくなり測定結果としてＰ_b−Ｐ_aの誤差が大きくなってしまう。
使用するレーザーダイオードによってあらかじめＩ_a、Ｉ_bの見当をつけておくことも考えられるが、レーザーダイオードの特性は個体間あるいは使用時の温度などによって大きく異なるものであり、Ｉ_a、Ｉ_bを適切に設定することは困難であった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、レーザーダイオードの特性がばらついていてもその特性を正しく検出し、所望の平均出力光パワーと消光比を得ることのできるレーザーダイオード駆動回路及びレーザーダイオード駆動方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明では、３点以上のレーザーダイオード電流を定め、それぞれの電流における光パワーから閾値電流以下と判断される電流での光パワー測定結果を除外し、それ以外の測定結果からレーザーダイオード特性を求めるようにした。

そこで、請求項１に係る発明により、設定電流値に応じた電流をレーザーダイオードに流す電流源と、前記レーザーダイオードの出力光の一部を受光するモニタフォトダイオードと、Ｎを３以上の整数として、ゼロの近傍から順次、値が大きくなるＮ個の電流値を前記電流源に設定する制御手段と、前記モニタフォトダイオードの各受光電流に基づいて前記レーザーダイオードの出力光パワーを測定するパワー測定手段と、前記パワー測定手段で測定された前記出力光パワーを前記制御手段の前記電流値に対応付けて記録する記録手段と、前記記録手段に記録された前記出力光パワーのうち、前記レーザーダイオードの閾値電流より小さい電流に対応する出力光パワーの測定値を除外し、残った測定値から前記レーザーダイオードの電流対出力光パワー特性を推測する特性判定手段とを備え、前記特性判定手段で推測された前記電流対出力光パワー特性に基づいて、あらかじめ定められた平均出力光パワーと消光比を実現するバイアス電流と変調電流を決定するよう構成されたレーザーダイオード駆動回路が提供される。
この構成により、レーザーダイオードの特性がばらついていてもその特性を正しく検出し、所望の平均出力光パワーと消光比を得ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザーダイオード駆動回路において、前記特性判定手段は、最大と最小を除いた電流設定値それぞれについて、自身より大きい側の電流設定値との差とそれに対応する出力光パワーの変化分との比Ｒ₁と、
自身より小さい側の電流設定値との差とそれに対応する出力光パワーの変化分との比Ｒ₂の差（Ｒ₁−Ｒ₂）を求め、
その差が所定値以上であった場合、当該電流設定値より小さい側の電流設定値が前記レーザーダイオードの閾値電流よりも小さいと判定するように構成されている。
この構成により、レーザーダイオードの閾値電流よりも小さい電流値に対応する電流を正確に判定することができる。

請求項３に係る発明は、Ｎを３以上の整数として、ゼロの近傍から順次値が大きくなるＮ個の電流Ｉ₁、Ｉ₂、…、Ｉ_Nを定め、
レーザーダイオードに順次これらの電流を流し、それぞれの電流に対応する前記レーザーダイオードの出力光パワーＰ₁、Ｐ₂、…、Ｐ_Nを測定し、
前記出力光パワーの測定値Ｐ₁、Ｐ₂、…、Ｐ_Nを前記電流に対応付けて記録し、
記録された前記出力光パワーのうち、前記レーザーダイオードの閾値電流より小さい出力光パワーの測定値を除外し、
残った測定値から前記レーザーダイオードの電流対出力光パワー特性を推測し、
推測された前記電流対出力光パワー特性に基づいて、あらかじめ定められた平均出力光パワーと消光比を実現するバイアス電流と変調電流を決定する、レーザーダイオード駆動方法として構成される。
この手順により、レーザーダイオードの特性がばらついていてもその特性を正しく検出し、所望の平均出力光パワーと消光比を得ることができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のレーザーダイオード駆動方法において、前記レーザーダイオードの前記閾値電流より小さい前記出力光パワーの測定値を除外するにあたり、値が隣接する各電流値の変化分に対応する出力光パワーの変化分の比を求め、最小と最大の電流以外の電流Ｉ_i（ｉ＝２、３、…、Ｎ−１）を基準として、この電流Ｉ_iより大きい側の比が小さい側の比よりも所定値以上大きいとき、この電流Ｉ_iより小さい側に属する電流Ｉ₁…Ｉ_i-1がレーザーダイオードの閾値電流よりも小さいと判定する。
この手順により、レーザーダイオードの閾値電流よりも小さい電流値に対応する電流を正確に判定することができる。

請求項５に係る発明は、請求項３又は４に記載のレーザーダイオード駆動方法において、前記レーザーダイオードの前記閾値電流より小さい前記出力光パワーの測定値を除外して残った測定値から、最小２乗法を使って前記レーザーダイオードの電流対出力光パワー特性を１次関数で表すものとして構成される。
この手順により、汎用の条件式を用いて電流対出力光パワー特性が求められる。

本発明は特性を十分に捉えきれていないレーザーダイオードを用いても適切な平均出力光パワーと消光比が得られるという効果を奏する。本発明は量子化された電流値を使ってレーザーダイオード特性を求めることに特徴がある。そのため、バースト通信のように、断続的かつ１回が短時間の発光しか許されない用途であっても、許可された発光可能時間ごとに電流値を１つずつ変化させていけば、複数の発光可能時間を用いることによってレーザーダイオード特性を得ることができる。

図１は本発明に係るレーザーダイオード駆動回路の実施の形態の構成を示すブロック図である。同図において、レーザーダイオード駆動回路１は、電流設定値に応じた電流をレーザーダイオード８に流す電流源３と、レーザーダイオード８の出力光の一部を受光し、レーザーダイオード８の光パワーに比例した電流を流すモニタフォトダイオード９と、複数の電流値を電流源３に設定する制御回路２と、モニタフォトダイオード９の各出力光パワーを測定するパワー測定機能部４と、パワー測定機能部４で測定された出力光パワーの測定値を制御回路２の電流設定値に対応付けて記録する記録部５と、記録部５に記録された出力光パワーのうち、レーザーダイオード８の閾値電流より小さい出力光パワーの測定値を除外し、残った測定値からレーザーダイオード８の電流対出力光パワー特性を推測する特性判定機能部６と、この特性判定機能部６で推測された電流対出力光パワー特性に従って、あらかじめ定められた平均出力光パワーと消光比を実現するバイアス電流と変調電流を決定するＩ_L・Ｉ_H決定機能部７とを備えている。なお、電流源３は送信データのＨレベルに対応して電流Ｉ_Hを流し、Ｌレベルに対応して電流Ｉ_Lを流す。

上記のように構成されたレーザーダイオード駆動回路１の動作について以下に説明する。レーザーダイオード８の定格電流に基づいて、制御回路２はゼロの近傍の値を含み、相互間隔の等しい３個以上の電流、例えば５個の電流Ｉ₁〜Ｉ₅（Ｉ_i＜Ｉ_i+1）に対応する電流設定値を生成し、これらの電流設定値を例えば小さいものから大きい順に電流源３に設定する。電流源３はこれらの電流設定値に対応した電流をレーザーダイオード８に供給してこれを発光させる。モニタフォトダイオード９はレーザーダイオード８の出力光パワーに比例した電流をパワー測定機能部４に供給する。パワー測定機能部４は、その入力電流から出力光パワーＰ₁〜Ｐ₅を求めて記録部５に加える。記録部５は制御回路２から出力された電流設定値に対応する電流Ｉ₁〜Ｉ₅と、パワー測定機能部４から出力された出力光パワーＰ₁〜Ｐ₅とを対応付けて記録する。記録された測定結果の例を図２に示す。図２は測定結果を平面上にプロットしたものである。電流Ｉ_iに対応する点をＸ_iとしてある。なお、Ｉ₁、Ｉ₂は閾値電流値より小さいのでそのときの光パワーＰ₁、Ｐ₂は０となった。
特性判定機能部６は後述する方法でＸ₁、Ｘ₂が閾値以下の測定値であると判定し、それ以外の点を元に最小２乗法を用いてレーザーダイオード８の電流対出力光パワー特性を一次関数で表し、その関数を使ってあらかじめ定められた平均光出力パワーと消光比を実現するバイアス電流と変調電流を決定する。

測定点Ｘ_iが閾値よりも大きいところの点かどうかを判断する方法は次の通りである。特性判定機能部６は最大電流と最小電流に対応する点、すなわちＸ₅とＸ₁を除いた点について、それぞれ自身と隣接する点を通る直線の傾きを算出する。たとえば、Ｘ₄に着目した場合、Ｘ₄とＸ₅を通る直線の傾きη₅₄とＸ₄とＸ₃を通る直線の傾きη₄₃を算出する。両者の差η₅₄−η₄₃が所定値η_refよりも小さいのでＸ₄は閾値よりも大きいところの点であると判断される。
Ｘ₃についても同様に処理がなされるが、Ｘ₂は閾値の下なのでη₃₂は小さな値となる。したがって、η₄₃とη₃₂の差が所定値η_refよりも大きくなる。このことから、Ｘ₃が有効測定値の下限であり、Ｘ₂以下は閾値よりも小さいところの点であると判断される。
今回の例ではＸ₃が下限であったので処理はそこで終了するが、そうでない場合にはＸ₂についても同様な処理が行われる。

図３は上述したレーザーダイオード駆動回路１の全体の処理手順の一例を示したフローチャートであり、以下、このフローチャートに従って、本発明に係るレーザーダイオード駆動方法について説明する。
ここでは、あらかじめ５点の電流値Ｉ₁〜Ｉ₅（Ｉ_i＜Ｉ_i+1）が定められているものとする。これらの値の決め方の例としては、使用するレーザーダイオードの定格電流に基づいて、ほぼ等間隔に決めることが考えられる。

レーザーダイオード駆動回路１がスタートすると、ステップＳ１にて制御回路２が内部変数ｉを１に設定し、電流Ｉ₁を流す指令を電流源３に通知する。ステップＳ２で電流源３はその指令を受けてレーザーダイオード８にＩ₁の大きさの電流を流す。次に、ステップＳ３にてレーザーダイオード８が発した光の一部をモニタフォトダイオード９で受け、パワー測定機能部４でレーザーダイオード８が出力している光パワーＰ_iを測定する。その測定値を記録部５にて内部変数ｉ、電流値Ｉ₁と共に記録する。次のステップＳ４で内部変数ｉが所定値Ｎ＝５になったか否かを判定し、５になっていなければステップＳ５で制御回路２が内部変数ｉを「１」インクリメントし、ステップＳ２〜Ｓ４の処理を実行し、これと同様な処理を、内部変数ｉが５になるまで繰り返す。

ここまでの処理で、記録部５には電流値とそのときの光パワーの値の測定値の組が５組記録されたことになる。その様子が図２に示されており、各測定値の組が点Ｘ₁〜Ｘ₅で表されている。点Ｘ₁とＸ₂は閾値電流Ｉ_th以下であるので出力光パワーＰの値は０である。

特性判定機能部６では以下の処理を行う。まず、ステップＳ６にて点Ｘ₅とＸ₄を通る直線の傾きη₅₄を求める。次に、ステップＳ７では点Ｘ₄とＸ₃を通る直線の傾きη₄₃を求める。次に、ステップＳ８にて両者の差があらかじめ定められた値η_refよりも大きいか否かを判定し、小さい場合にはステップＳ９にてより小さな電流値における同様な処理を実行するために内部変数ｉを「１」デクリメントし、ステップＳ１０で閾値Ｉ_thに最も近い内部変数ｉが２になったか否かを判定し、内部変数ｉが２になるまでステップＳ６〜Ｓ１０の処理を繰り返す。

次に、ステップＳ１０にて内部変数ｉが２であると判定された場合、あるいは、ステップＳ８にて、２つの傾きの差がη_refよりも大きいと判定された場合には、ステップＳ１１にてその時点まで有効であった点の情報だけを用いてレーザーダイオードの特性（１次関数）を算出する。

図２の例ではＸ₅−Ｘ₄間の傾きη₅₄とＸ₄−Ｘ₃間の傾きη₄₃の差はη_refよりも小さいがη₄₃に比べＸ₃−Ｘ₂間の傾きη₃₂はかなり小さいのでその差はη_refを上回る。したがってレーザーダイオード特性を求めるのに使用可能な測定点としてＸ₅〜Ｘ₃が採用される。これらの点から最小２乗法を用いてレーザーダイオード特性を示す１次関数が求められる。この関数に基づいてＩ_L・Ｉ_H決定機能部７では送信データのＨレベル、Ｌレベルに対応した電流値Ｉ_L、Ｉ_Hが決められる。その後電流源３では送信データのＨレベルとＬレベルに合わせた電流でレーザーダイオード８を駆動する。

なお、本実施の形態では電流と出力光パワーの測定値を求めるのに電流の小さい方から順次増やしていったが、電流Ｉ_iを変化させる順番はどのようであってもよい。同様に傾きの変化を求める手順（ステップＳ６〜Ｓ１０）を電流値の大きい方から始めたが、小さい方から始めてもよい。その場合、測定点が３点以上閾値電流Ｉ_thを下回る可能性があるので傾きの大きさがある既定値以上であることを確認する手順を付け加える。

本発明によれば所望のレーザダイオード特性を得ることができるので、本発明はレーザダイオードを駆動する装置、方法、並びに、それらを利用した光通信分野などに有用である。

本発明に係るレーザーダイオード駆動回路の実施の形態の構成を示すブロック図 図１に示す実施の形態の動作を説明するために、電流と出力光パワーの関係を示す線図 図１に示す実施の形態のより詳しい動作を説明するためのフローチャート 一般的なレーザーダイオードの電流と出力光パワーとの関係を示す線図 従来のレーザーダイオード駆動方法を説明するためにその電流と出力光パワーとの関係を示す線図

符号の説明

１ レーザーダイオード駆動回路
２ 制御回路
３ 電流源
４ パワー測定機能部
５ 記録部
６ 特性判定機能部
７ Ｉ_L・Ｉ_H決定機能部
８ レーザーダイオード
９ モニタフォトダイオード

Claims (5)

1. 設定電流値に応じた電流をレーザーダイオードに流す電流源と、前記レーザーダイオードの出力光の一部を受光するモニタフォトダイオードと、Ｎを３以上の整数として、ゼロの近傍から順次、値が大きくなるＮ個の電流値を前記電流源に設定する制御手段と、前記モニタフォトダイオードの各受光電流に基づいて前記レーザーダイオードの出力光パワーを測定するパワー測定手段と、前記パワー測定手段で測定された前記出力光パワーを前記制御手段の前記電流値に対応付けて記録する記録手段と、前記記録手段に記録された前記出力光パワーのうち、前記レーザーダイオードの閾値電流より小さい電流に対応する出力光パワーの測定値を除外し、残った測定値から前記レーザーダイオードの電流対出力光パワー特性を推測する特性判定手段とを備え、前記特性判定手段で推測された前記電流対出力光パワー特性に基づいて、あらかじめ定められた平均出力光パワーと消光比を実現するバイアス電流と変調電流を決定するよう構成されたレーザーダイオード駆動回路。
2. 前記特性判定手段は、最大と最小を除いた電流設定値それぞれについて、自身より大きい側の電流設定値との差とそれに対応する出力光パワーの変化分との比Ｒ１と、
   自身より小さい側の電流設定値との差とそれに対応する出力光パワーの変化分との比Ｒ２の差（Ｒ１−Ｒ２）を求め、
   その差が所定値以上であった場合、当該電流設定値より小さい側の電流設定値が前記レーザーダイオードの閾値電流よりも小さいと判定するように構成された請求項１に記載のレーザーダイオード駆動回路。
3. Ｎを３以上の整数として、ゼロの近傍から順次値が大きくなるＮ個の電流Ｉ₁、Ｉ₂、…、Ｉ_Nを定め、
   レーザーダイオードに順次これらの電流を流し、それぞれの電流に対応する前記レーザーダイオードの出力光パワーＰ₁、Ｐ₂、…、Ｐ_Nを測定し、
   前記出力光パワーの測定値Ｐ₁、Ｐ₂、…、Ｐ_Nを前記電流に対応付けて記録し、
   記録された前記出力光パワーのうち、前記レーザーダイオードの閾値電流より小さい出力光パワーの測定値を除外し、
   残った測定値から前記レーザーダイオードの電流対出力光パワー特性を推測し、
   推測された前記電流対出力光パワー特性に基づいて、あらかじめ定められた平均出力光パワーと消光比を実現するバイアス電流と変調電流を決定する、レーザーダイオード駆動方法。
4. 前記レーザーダイオードの前記閾値電流より小さい前記出力光パワーの測定値を除外するにあたり、値が隣接する各電流値の変化分に対応する出力光パワーの変化分の比を求め、最小と最大の電流以外の電流Ｉ_i（ｉ＝２、３、…、Ｎ−１）を基準として、この電流Ｉ_iより大きい側の比が小さい側の比よりも所定値以上大きいとき、この電流Ｉ_iより小さい側に属する電流Ｉ₁…Ｉ_i-1がレーザーダイオードの閾値電流よりも小さいと判定する請求項３に記載のレーザーダイオード駆動方法。
5. 前記レーザーダイオードの前記閾値電流より小さい前記出力光パワーの測定値を除外して残った測定値から、最小２乗法を使って前記レーザーダイオードの電流対出力光パワー特性を１次関数で表す請求項３又は４に記載のレーザーダイオード駆動方法。
   

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