JP2005166939A - 半導体発光素子駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 ジッタの少ない理想的な光出力波形を得ることが可能な半導体発光素子駆動回路を提供する。
【解決手段】 本発明の半導体発光素子駆動回路は、半導体発光素子、半導体受光素子、バイアス電流設定トランジスタ、及びクロスポイント制御回路を備える。半導体発光素子は、変調電流及びバイアス電流が供給されることによって光出力を発生する。半導体受光素子は、半導体発光素子による光出力を受けることによって光電流を出力する。バイアス電流設定トランジスタは、制御端子に供給されるバイアス電流設定信号に基づいて半導体発光素子に供給するバイアス電流を設定する。クロスポイント制御回路は、半導体受光素子によって出力される光電流に対応する電気信号に基づいて光出力波形のクロスポイントが所定のレベルになるように、バイアス電流設定トランジスタの制御端子にバイアス電流設定信号を供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子の光出力を制御するための半導体発光素子駆動回路に関するものである。

従来の半導体発光素子駆動回路では、半導体受光素子が半導体発光素子からの光出力を受け、光出力の強度に応じた電気信号を出力する。この半導体発光素子駆動回路は、半導体受光素子からの電気信号に基づいて光出力のピーク値及びボトム値を検出し、半導体発光素子に供給するバイアス電流及び変調電流に帰還を掛ける。また、光出力の平均値及びボトム値に基づいて、バイアス電流及び変調電流に帰還を掛ける半導体発光素子駆動回路もある（例えば、特許文献１〜５）。
特許第２６１３６７０号公報 特開平１０−１４４９８６号公報 特開平０５−２９１６６１号公報 特開平０９−０９２９１６号公報 特開平１０−０１３３５９号公報

半導体発光素子は、閾値電流以上の電流が供給されたときに発光する。すなわち、光出力を０とするためのバイアス電流値は、この閾値電流以下であれば良く、一義的に決定されない。したがって、従来の半導体発光素子駆動回路では、バイアス電流を閾値電流に近づけて制御することが困難であった。

ところで、バイアス電流が閾値電流より大きい場合には、半導体発光素子の共振器内でのキャリア数の変動が大きくなるために、光出力のロー・レベルが不安定になり、また、光出力波形にジッタが現れる。一方、バイアス電流が閾値電流より小さい場合には、キャリアが共振器に供給されるまでの時間とキャリアが共振器内に供給されてから光子に変換されるまでの時間差が大きくなるために、ジッタが増加する。

本発明は、ジッタの少ない理想的な光出力波形を得ることが可能な半導体発光素子駆動回路を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の半導体発光素子駆動回路は、半導体発光素子と、半導体受光素子と、バイアス電流設定トランジスタと、クロスポイント制御回路とを備える。半導体発光素子は、変調電流及びバイアス電流が供給されることによって光出力を発生する。半導体受光素子は、半導体発光素子による光出力を受けることによって、光電流を出力する。バイアス電流設定トランジスタは、制御端子を有する。バイアス電流設定トランジスタは、制御端子に供給されるバイアス電流設定信号に基づいて、半導体発光素子に供給するバイアス電流を設定する。クロスポイント制御回路は、半導体受光素子によって出力される光電流に対応する電気信号に基づいて、光出力波形のクロスポイントが光出力波形におけるロー・レベルとハイ・レベルとの間の所定のレベルになるように、バイアス電流設定トランジスタの制御端子にバイアス電流設定信号を入力する。

バイアス電流が閾値電流より大きい場合、また、小さい場合のいずれにおいても、光出力波形にジッタが現れる。光出力波形にジッタが現れると、光出力波形のロー・レベルからハイ・レベルへの立上りとハイ・レベルからロー・レベルへの立下りとの交点であるクロスポイントが、ロー・レベルとハイ・レベルの間の５０％に位置しない。本発明によれば、クロスポイントを制御するためのクロスポイント制御回路を備えるので、クロスポイントを５０％に近づけることができる。その結果、この半導体発光素子駆動回路は、理想的な光出力が得られるように、バイアス電流を設定することができる。

本発明の半導体発光素子駆動回路は、変調電流設定トランジスタと、平均値制御回路とを更に備えることができる。変調電流設定トランジスタは、制御端子を有する。変調電流設定トランジスタは、制御端子に供給される変調電流設定信号に基づいて、半導体発光素子に供給する変調電流を設定する。平均値制御回路は、上記の電気信号の平均値が所定の値になるように、変調電流設定トランジスタの制御端子に変調電流設定信号を入力する。

本発明の半導体発光素子駆動回路は、バイアス電流の上限値を規定するバイアス電流上限値規定回路を更に備えることができる。

バイアス電流上限値規定回路によって、バイアス電流の上限値を規定することができるので、バイアス電流を閾値電流に安定に近づけることができる。

本発明の半導体発光素子駆動回路において、バイアス電流上限値制御回路は、上記の電気信号のボトム値を検出し、ボトム値と所定の基準電圧値との比較に基づいて、バイアス電流設定信号を制御するボトムモニタ回路であることができる。

本発明の半導体発光素子駆動回路において、バイアス電流上限値規定回路は、クロスポイント制御回路とバイアス電流設定トランジスタとの間に接続され、バイアス電流の上限値を規定するバイアス電流リミッタ回路であることができる。

本発明の半導体発光素子駆動回路は、クロスポイント制御回路を備えるので、バイアス電流を閾値電流に近づけることができる。したがって、この半導体発光素子駆動回路によれば、ジッタの少ない理想的な光出力が得られる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

[第１の実施形態]

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子駆動回路１の回路図である。半導体発光素子駆動回路１は、半導体発光素子２と、駆動回路部４と、半導体受光素子６と、トランスインピーダンスアンプ部（以下、「ＴＩＡ」という）８と、平均値制御回路１０と、クロスポイント制御回路１２とを備える。

半導体発光素子２は、駆動回路部４によって供給される変調電流Ｉｍ、及びバイアス電流Ｉｂが供給されることによって光出力を発生する。

駆動回路部４は、差動信号生成部１４と、差動対部１６と、変調電流設定トランジスタ１８と、バイアス電流設定トランジスタ２０とを有している。

差動信号生成部１４は、入力端子２２に供給される入力変調信号を受ける。差動信号生成部１４は、入力変調信号を正相及び逆相の差動信号に変換して、差動信号を差動対部１６に供給する。

差動対部１６は、差動対を構成するトランジスタ２６及び２８を有している。トランジスタ２６及び２８の制御端子には、差動信号生成部１４からの差動信号が供給される。

トランジスタ２６の一方の電流端子（コレクタ）には、半導体発光素子２の一方の電極（カソード）が接続されている。半導体発光素子２の他方の電極は、第１の電源線３０に接続されている。トランジスタ２８の一方の電極（コレクタ）も、第１の電源線３０に接続されている。

トランジスタ２６及び２８の他方の電流端子（エミッタ）は、共通ノード３２に接続されている。共通ノード３２には、変調電流設定トランジスタ１８の一方の電流端子（コレクタ）が接続されている。変調電流設定トランジスタ１８の他方の電流端子（エミッタ）は、第２の電源線３４に接続されている。変調電流設定トランジスタ１８の制御端子には、平均値制御回路１０が接続されている。平均値制御回路１０によって変調電流設定トランジスタ１８の制御端子に変調電流設定信号Ｖｍが入力されることによって、半導体発光素子２に供給される変調電流Ｉｍが設定される。

半導体発光素子２の一方の電極（カソード）には、バイアス電流設定トランジスタ２０の一方の電流端子（コレクタ）が接続されている。バイアス電流設定トランジスタ２０の他方の電流端子は、第２の電源線３４に接続されている。バイアス電流設定トランジスタ２０の制御端子（ベース）には、クロスポイント制御回路１２が接続されている。バイアス電流設定トランジスタ２０の制御端子に入力されるバイアス電流設定信号Ｖｂによって、バイアス電流Ｉｂが設定される。

半導体受光素子６は、半導体発光素子２からの光出力Ｌを受ける。半導体受光素子６は、光出力Ｌの強度に応じた光電流Ｉｐｄを生成する。光電流Ｉｐｄは、ＴＩＡ８に供給される。

ＴＩＡ８は、オペアンプ８ａ及び抵抗８ｂを有している。ＴＩＡ８は、半導体受光素子６からの光電流Ｉｐｄを電圧信号Ｖ１に変換する。半導体発光素子駆動回路１では、ＴＩＡ８に、平均値制御回路１０及びクロスポイント制御回路１２が接続されている。ＴＩＡ８からの電圧信号Ｖ１は、平均値制御回路１０及びクロスポイント制御回路１２に入力される。

平均値制御回路１０は、ローパスフィルタ部３６と、反転増幅部３８とを有する。ローパスフィルタ部３６は、オペアンプ３６ａ、抵抗３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ、及びコンデンサ３６ｅを有している。ローパスフィルタ部３６は、所定の時定数の積分回路を構成している。したがって、ローパスフィルタ部３６は、ＴＩＡ８からの電圧信号Ｖ１の平均値に相当する電圧信号Ｖ２を出力することができる。

反転増幅部３８は、オペアンプ３８ａ、抵抗３８ｂ，３８ｃ、及び３８ｄを有している。反転増幅部３８は、ローパスフィルタ部３６によって出力される電圧信号Ｖ２と基準電圧Ｖｒｅｆｍとの差分に基づく変調電流設定信号Ｖｍを出力する。反転増幅部３８によって出力された変調電流設定信号Ｖｍは、変調電流設定トランジスタの制御端子に入力される。これによって、予め定められた平均値の光出力が得られるように、半導体発光素子２へ供給される変調電流が制御される。

クロスポイント制御回路１２は、差動信号生成アンプ４０と、結合コンデンサ４２，４４と、アンプ４６と、低域通過フィルタ部４８と、差動アンプ５０とを有する。

差動信号生成アンプ４０は、入力端子と、正出力及び負出力を出力するための二つの出力端子とを有する。差動信号生成アンプ４０は、ＴＩＡ８からの電圧信号Ｖ１を入力端子に受け、正出力及び負出力から差動信号Ｖ３、Ｖ４を出力する。

結合コンデンサ４２及び４４は、差動信号生成アンプ４０からの差動信号Ｖ３，Ｖ４の直流分をカットする。直流分がカットされた差動信号は、アンプ４６を介し、差動信号Ｖ５，Ｖ６として低域通過フィルタ部４８に出力される。

低域通過フィルタ部４８は、抵抗４８ａ，４８ｂ、及びバイパスコンデンサ４８ｃとを有しており、低域通過フィルタを構成している。低域通過フィルタ部４８は、アンプ４６からの差動信号Ｖ５，Ｖ６の各々の平均値に相当する電圧信号Ｖ７，Ｖ８を生成するために設けられている。低域通過フィルタ部４８の低域通過フィルタの時定数は、半導体発光素子２の送信信号の基準周波数に対して十分に大きい値であれば良い。例えば基準周波数が２ＧＨｚの場合には、時定数は１μｓで十分な値となる。

なお、低域通過フィルタ部４８では、二つの信号線の間にバイパスコンデンサ４８ｃを設けることによって、低域通過フィルタを構成しているが、バイパスコンデンサ４８ｃに代えて、両信号線と第１の電源線３０又は第２の電源線３４との間にコンデンサを挿入することによっても、低域通過フィルタを構成することができる。

差動アンプ５０は、オペアンプ５０ａ、抵抗５０ｂ，５０ｃ，５０ｄを有している。差動アンプ５０は、電圧信号Ｖ７とＶ８の差を増幅する。半導体発光素子駆動回路１では、差動アンプ５０からの出力がバイアス電流設定信号Ｖｂとして、バイアス電流設定トランジスタ２０の制御端子に入力される。

以下、半導体発光素子駆動回路１の作用について説明する。半導体発光素子駆動回路１では、変調電流及びバイアス電流を供給されることによって、半導体発光素子２が光出力を発生する。半導体受光素子６は、半導体発光素子２からの光出力を受けることによって、光電流Ｉｐｄを出力する。光電流Ｉｐｄは、ＴＩＡ８によって電圧信号Ｖ１に変換され、電圧信号Ｖ１は、平均値制御回路１０及びクロスポイント制御回路１２に入力される。

平均値制御回路１０では、ローパスフィルタ部３６が、電圧信号Ｖ１の低域を濾過し、電圧信号Ｖ１の平均値に相当する電圧信号Ｖ２を反転増幅部３８に出力する。反転増幅部３８は、電圧信号Ｖ２と基準電圧Ｖｒｅｆｍとの差分に基づく変調電流設定信号Ｖｍを変調電流設定トランジスタ１７の制御端子に入力する。基準電圧Ｖｒｅｆｍは、半導体発光素子２の光出力の平均値が所定の値になるように設定された基準電圧である。平均値制御回路１０では、半導体発光素子２の光出力の平均値に相当する電圧信号Ｖ２と、基準電圧Ｖｒｅｆｍとの差が変調電流設定信号Ｖｍとして帰還されるので、半導体発光素子２からの光出力の平均値が所定の値に近づくように制御される。

クロスポイント制御回路１２では、電圧信号Ｖ１を受けた差動信号生成アンプ４０が、正出力及び負出力から差動信号Ｖ３，Ｖ４を出力する。差動信号Ｖ３，Ｖ４は、結合コンデンサ４２、４４によって直流分を除去されて、アンプ４６を介して、電圧信号Ｖ５，Ｖ６とされる。低域通過フィルタ部４８は、電圧信号Ｖ５，Ｖ６それぞれの平均値に相当する電圧信号Ｖ７，Ｖ８を出力する。差動アンプ５０は、電圧信号Ｖ７，Ｖ８の差を増幅したバイアス電流設定信号Ｖｂをバイアス電流設定トランジスタ２０の制御端子に入力する。すなわち、クロスポイント制御回路１２では、半導体受光素子６からの光電流に基づく電圧信号Ｖ１の差動信号Ｖ３，Ｖ４を生成して、それぞれの差動信号の平均値を同一とするようにバイアス電流に帰還が施す。したがって、半導体発光素子２の光出力のクロスポイントが５０％の位置となるように、バイアス電流に帰還が施される。これによって、ジッタの少ない理想的な光出力が得られるように、半導体発光素子２に供給されるバイアス電流が制御される。

［第２の実施形態］

図２は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体発光素子駆動回路１ｂの回路図である。半導体発光素子駆動回路１ｂは、第１の実施形態の半導体発光素子駆動回路１と同様に、半導体発光素子２と、駆動回路部４と、半導体受光素子６と、ＴＩＡ８と、平均値制御回路１０と、クロスポイント制御回路１２とを備える。半導体発光素子駆動回路１ｂは、更にボトムモニタ回路６０を備える。

ボトムモニタ回路６０は、バッファアンプ６２と、平滑化回路６４と、差動増幅部６６と、アンプ６８と、トランジスタ７０とを有している。

バッファアンプ６２は、ＴＩＡ８からの電圧信号を増幅し、平滑化回路６４に入力する。バッファアンプ６２は、入力インピーダンス及び出力インピーダンスが大きいことが要求される。また、バッファアンプ６２は、理想的には、光出力に応答可能な帯域特性を有することが好ましい。これによって、平滑化回路６４のコンデンサ６４ｂへの充電時間を短くすることができる。

平滑化回路６４は、ダイオード６４ａとコンデンサ６４ｂとを有している。平滑化回路６４は、ピークホールド回路を構成する。平滑化回路６４では、コンデンサ６４ｂが、バッファアンプ６４からの信号によって充電される。コンデンサ６４ｂの放電は、ダイオード６４ａによって阻害される。平滑化回路６４の次段の入力インピーダンスが高くされることによって、コンデンサ６４ｂの放電パスが実質的になくなるので、平滑化回路６４は良好なピークホールド特性を得ることができる。

差動増幅部６６は、オペアンプ６６ａと抵抗６６ｂとを有している。差動増幅部６６は、コンデンサ６４ｂの電圧、すなわち、平滑化回路６２の出力と基準電圧Ｖｒｅｆｂと差を増幅して、バイアス電流設定トランジスタ２０の制御端子に出力する。

ＴＩＡ８の出力は、半導体発光素子２の光出力が大きくなると減少する。すなわち、ＴＩＡ８の出力は、半導体発光素子２の光出力に対して位相が反転された出力である。このボトムモニタ回路６０では、半導体発光素子２の光出力が小さくなることによって平滑化回路６２の出力が大きくなると、差動増幅部６６の出力が大きくなる。その結果、バイアス電流設定トランジスタ２０の制御端子に入力されるバイアス電流設定信号Ｖｂが増加することによって、光出力のロー・レベルが増加する。

一方、半導体発光素子２の光出力が大きくなることによって平滑化回路６２の出力が小さくなると、差動増幅部６６の出力が小さくなる。その結果、バイアス電流設定トランジスタ２０の制御端子に入力されるバイアス電流設定信号Ｖｂが減少することによって、光出力のロー・レベルが減少する。

半導体発光素子駆動回路１ｂは、以上の動作によって、バイアス電流を閾値電流に安定して近づけることができる。

アンプ６８は、バイアス電流設定トランジスタ２０の制御端子に接続されている。アンプ６８は、バイアス電流設定トランジスタ２０への入力、すなわち、バイアス電流設定信号Ｖｂの位相を反転し、その出力を半導体受光素子６に並列接続されたトランジスタ７０に入力する。

バイアス電流Ｉｂが閾値電流Ｉｔｈより小さくなることによって半導体発光素子２の光出力が減少し、バイアス電流設定信号Ｖｂが大きくなると、アンプ６８からトランジスタ７０に入力される電圧が増加し、トランジスタ７０がＯｎになる。トランジスタ７０がＯｎになると、トランジスタ７０を流れる電流がＴＩＡ８に供給される。これによって、バイアス電流Ｉｂが閾値電流Ｉｔｈ以下の場合に、半導体発光素子２の光出力が０となっても、ＴＩＡ８に供給される電流が補われる。一方、バイアス電流Ｉｂが閾値電流Ｉｔｈより大きい場合には、トランジスタ７０がＯｆｆになって、半導体受光素子６からの光電流ＩｐｄがＴＩＡ８に供給される。このように、半導体発光素子駆動回路１ｂは、バイアス電流Ｉｂと閾値電流Ｉｔｈとの関係によって、ＴＩＡ８に入力する電流を切り替えることができる。したがって、バイアス電流Ｉｂが値電流Ｉｔｈより小さい場合でも、帰還制御が可能とされている。

［第３の実施形態］

図３は、本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子駆動回路１ｃの回路図である。半導体発光素子駆動回路１ｃは、第１の実施形態の半導体発光素子駆動回路１と同様に、半導体発光素子２と、駆動回路部４と、半導体受光素子６と、ＴＩＡ８と、平均値制御回路１０と、クロスポイント制御回路１２とを備える。半導体発光素子駆動回路１ｃは、更にアンプ６８と、トランジスタ７０と、バイアス電流リミッタ回路７２とを備える。

アンプ６８及びトランジスタ７０は、第２実施形態と同様のものである。すなわち、バイアス電流設定トランジスタ２０の入力（バイアス電流設定信号Ｖｂ）が、アンプ６８を介することによって位相が反転されて、半導体受光素子６と並列接続されたトランジスタ７０の制御端子に入力される。

バイアス電流リミッタ回路７２は、クロスポイント制御回路１２の後段に接続されている。バイアス電流リミッタ回路７２は、抵抗７４と、トランジスタ７６とを有する。

抵抗７４は、バイアス電流設定トランジスタ２０の他方の電流端子（エミッタ）と第２の電源線３４との間に接続されている。抵抗７４の一端にトランジスタ７６のベースが、抵抗７４の他端にトランジスタ７６のエミッタが接続されている。トランジスタ７６のコレクタは、バイアス電流設定トランジスタ２０の制御端子に接続されている。

バイアス電流Ｉｂが増加することによって、抵抗７４における電位降下がトランジスタ７６のＯｎ電圧になると、トランジスタ７６がＯｎになり、電流がトランジスタ７６に分岐する。したがって、半導体発光素子２に流れるバイアス電流は、バイアス電流リミッタ回路７２によって制限される。バイアス電流リミッタ回路７２によって制限されるバイアス電流の値は、抵抗７４の抵抗値によって調整される。

このように、半導体発光素子駆動回路１ｃは、バイアス電流リミッタ回路７２を更に備えるので、半導体発光素子２に流れるバイアス電流の値を閾値電流に安定して近づけることができる。

図１は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子駆動回路である。 図２は、第２の実施形態にかかる半導体発光素子駆動回路である。 図３は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子駆動回路である。

符号の説明

１…半導体発光素子駆動回路、２…半導体発光素子、４…駆動回路部、６…半導体受光素子、８…トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）、１０…平均値制御回路、１２…クロスポイント制御回路。

Claims (5)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子による光出力を受けることによって光電流を出力する半導体受光素子と、
   制御端子を有し、該制御端子に供給されるバイアス電流設定信号に基づいて、前記半導体発光素子に供給するバイアス電流を設定するバイアス電流設定トランジスタと、
   前記半導体受光素子によって出力される前記光電流に対応する電気信号に基づいて、光出力波形のクロスポイントが該光出力波形におけるロー・レベルとハイ・レベルとの間の所定のレベルになるように、前記バイアス電流設定トランジスタの制御端子にバイアス電流設定信号を入力するクロスポイント制御回路と
   を備える半導体発光素子駆動回路。
2. 制御端子を有し、該制御端子に供給される変調電流設定信号に基づいて、前記半導体発光素子に供給する変調電流を設定する変調電流設定トランジスタと、
   前記電気信号の平均値が所定の値になるように、前記変調電流設定トランジスタの制御端子に変調電流設定信号を入力する平均値制御回路と
   を更に備える、請求項１に記載の半導体発光素子駆動回路。
3. 前記バイアス電流の上限値を規定するバイアス電流上限値規定回路を更に備える、請求項１または２に記載の半導体発光素子駆動回路。
4. 前記バイアス電流上限値制御回路は、前記電気信号のボトム値を検出し、該ボトム値と所定の基準電圧値との比較に基づいて、前記バイアス電流設定信号を制御するボトムモニタ回路である、請求項３に記載の半導体発光素子駆動回路。
5. 前記バイアス電流上限値規定回路は、前記クロスポイント制御回路とバイアス電流設定トランジスタとの間に接続され、前記バイアス電流の上限値を規定するバイアス電流リミッタ回路である、請求項３に記載の半導体発光素子駆動回路。

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