JP2006086336A - 光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 III-V族化合物の発光ダイオードの立下り時間を短縮し、しかも光出力振幅を大きく確保することができる光通信用の光源を提供する。
【解決手段】 ＧａＮ系化合物の単一量子井戸構造の発光ダイオードＤ２０と、その発光ダイオードＤ２０にパルス電圧を印加する駆動電圧源１０を備え、そのパルス電圧のローレベルの電圧が、発光ダイオードＤ２０の立下り時間を最も遅くする電圧よりも小さな電圧に設定されていることを特徴とする光源。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高速に点滅する光源に関する。特に、光通信に利用できるほど高速に点滅することができる光源に関する。

比較的短い距離間に光通信システムを構築し、大量の情報を送信したい場面が多く存在する。このような場合に、プラスチック光ファイバ（Plastic Optical Fiber：以下ではPOFという）を利用することによって、光通信システムを安価に構築する研究がなされている。
ＰＯＦ等を利用する光通信システムでは、III-V族化合物の発光ダイオードを利用する試みがなされている。例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）系化合物の緑色ないしは青色の発光ダイオード、あるいはＡｌＧａＩｎＰ系化合物の赤色発光ダイオードを、ＰＯＦを利用する光通信システムの光源に利用する研究がなされている。III-V族化合物の発光ダイオードを利用すると、ＰＯＦの伝達損失が小さい波長の光を得ることが可能となる。

光通信システムでは、発光ダイオードにパルス電圧を印加することによって、発光ダイオードを点滅させる。伝送速度を向上するためには、発光ダイオードの立下り時間を短縮することが重要である。ここでいう立下り時間とは、発光ダイオードに印加するパルス電圧をハイレベルからローレベルに切換えたときに、発光ダイオードの光出力が低下するまでの時間を言う。具体的には、ハイレベルの電圧を印加しているときの発光ダイオードの光出力をＰ１とし、ローレベルの電圧を印加しているときの発光ダイオードの光出力をＰ２としたときに、
Ｐ２＋（Ｐ１−Ｐ２）×０．９の光出力からＰ２＋（Ｐ１−Ｐ２）×０．１の光出力にまで変化するのに要する時間をいう。ここでいう点滅とは、ローレベルの電圧を印加しているときの光出力が、ハイレベルの電圧を印加しているときの光出力より低下することを言い、光出力がゼロに低下することに限定されない。
発光ダイオードの立下り時間を短縮する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１の技術では、図５（Ａ）に示すように、ローレベルの電圧とハイレベルの電圧の差が小さなパルス電圧を利用する。この例では、ハイレベルの電圧が３．１Ｖであり、ローレベルの電圧が２．８Ｖに設定されているパルス電圧を利用する。
図５（Ｂ）の図示４２の実線は、図５（Ａ）に示すパルス電圧を発光ダイオードに印加した場合の光出力の時間的変化を示す。図示４４の破線は、ローレベルの電圧を０Ｖ（アース電圧）に設定した場合の光出力の時間的変化を示す。
ローレベルの電圧がアース電圧に設定されている場合には、その立下り時間がｔ１であるのに対し、ローレベルの電圧をアース電圧より大きく設定した場合には、その立下り時間がｔ２に短縮される。特許文献１の技術は、ローレベルの間も発光ダイオードに電流を流し続けてローレベルの間の光出力を持ち上げることによって、立下り時間を短縮することに成功している。
特開２００３−１６３３７７号公報

特許文献１の技術は、立下り時間を短縮する点で極めて有用な技術である。普及しているIII-V族化合物の発光ダイオードを利用する限り、立下り時間を短縮する唯一の技術であるといってもよい。
しかしながら、特許文献１の技術は、光出力振幅（ハイレベルの電圧を印加したときの光出力Ｐ１と、ローレベルの電圧を印加したときの光出力Ｐ２の差）が小さくなるという問題がある。光出力振幅が小さくなると、光出力がハイレベルにあるのかローレベルにあるのかを判別する受信回路に特殊な工夫が必要となる。特殊な受信回路を利用しても、伝送距離が制限されるという問題がある。特許文献１の技術は、普及しているIII-V族化合物の発光ダイオードを利用する限り、ローレベルの電圧をハイレベルの電圧に近づけることによって、立下り時間を短縮することができる実際的な唯一の技術であるといってもよいので、光出力振幅が小さくなるという欠点を苦労して克服している。
本発明では、III-V族化合物の発光ダイオードの立下り時間を短縮し、しかも光出力振幅を大きく確保することができる光通信用の光源を提供する。普及しているIII-V族化合物の発光ダイオードを利用する限り、ローレベルの電圧を上げないと立下り時間を短縮することができず、ローレベルの電圧を上げると光出力振幅が小さくなるというジレンマを克服することに成功した全く新規な発想の光源を提供する。

本発明の光源は、III-V族化合物の単一量子井戸構造の発光ダイオードを用いる。その発光ダイオードにパルス電圧を印加するパルス電圧印加手段は、そのローレベルの電圧が発光ダイオードの立下り時間を最も遅くする電圧よりも小さな電圧に設定されていることを特徴とする。
普及している発光ダイオードは、主として照明用に利用され、高輝度であることを重視して開発されている。高輝度を得るために、普及している発光ダイオードは多量子井戸構造を備えている。多量子井戸構造の発光ダイオードは、一対のクラッド層の間に活性層が挟まれている単位積層構造を、複数組備えている。例えば、クラッド層、活性層、クラッド層、活性層、クラッド層、活性層、クラッド層の順に積層されているような発光ダイオードを多量子井戸構造の発光ダイオードと言い、この場合には３量子井戸構造を備えている。
多量子井戸構造の発光ダイオードは、ローレベルの電圧をハイレベルの電圧に近づけるほど立下り時間が短縮化され、ローレベルの電圧を下げるほど立下り時間が長くなる。普及している多量子井戸構造のIII-V族化合物の発光ダイオードを利用する限り、ローレベルの電圧を上げないと立下り時間を短縮することができず、ローレベルの電圧を上げると光出力振幅が小さくなるというジレンマを克服することができない。
しかしながら、本発明者らは、単一量子井戸構造のIII-V族化合物の発光ダイオードを利用すると、ローレベルの電圧と立下り時間との関係において、多量子井戸構造の場合とは全く違う挙動が現れることを見出した。
単一量子井戸構造の発光ダイオードでも、ローレベルの電圧をハイレベルの電圧に近づけるほど立下り時間が短縮化され、ローレベルの電圧を下げるほど立下り時間が長くなる。しかしながら、単一量子井戸構造の発光ダイオードの場合、さらにローレベルの電圧を下げると、今度は逆に立下り時間が短縮する挙動が現れる。従来の常識に反して、ローレベルの電圧を下げると立下り時間が短縮する電圧領域が現れるのである。
本発明では、この挙動を利用する。ローレベルの電圧をハイレベルの電圧に近い値から低下させていくと立下り時間は遅くなる。それでもローレベルの電圧を下げ続けると、今度は立下り時間が速くなる。即ち、あるローレベルの電圧において立下り時間が最も遅くなる。
本発明の光源では、ローレベルの電圧を、発光ダイオードの立下り時間を最も遅くする電圧よりも小さな電圧に設定する。この領域を利用して立下り時間を短縮すると、ローレベルの電圧印加時の光出力を低減することができ、大きな光出力振幅を得ることができる。
III-V族化合物の単一量子井戸構造の発光ダイオードを選択し、電圧を減少すると発光ダイオードの立下がり時間が速くなる電圧領域にローレベルの電圧が設定されていると、ローレベルの電圧を上げないと立下がり時間を短縮することができず、ローレベルの電圧を上げると光出力振幅が小さくなるというジレンマを克服することができる。１０ｄＢ以上の消光比（光信号がハイのときの光出力とローのときの光出力の比）と１００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度を実現する光通信用の光源を実現することができる。

本発明は、III-V族化合物の単一量子井戸構造の発光ダイオードに、閾値電圧よりも小さな電圧に設定されているローレベルの電圧を印加することによって、立下がり時間と光出力振幅のジレンマを克服したということもできる。
ここでいう閾値電圧とは、発光ダイオードの順方向に電圧を印加したときに、発光ダイオードに電流が流れ始める電圧をいう。すなわち、この発明では、ローレベルの電圧の印加時には、発光ダイオードに電流が流れないほど小さな電圧を加える。この範囲に設定された電圧を印加すると、発光ダイオードの立下り時間を短縮することができ、大きな光出力振幅を得ることができる。

本発明は、III-V族化合物の単一量子井戸構造の発光ダイオードに、ハイレベルの電圧の４０％よりも小さなローレベルの電圧を印加することによって、立下がり時間と光出力振幅のジレンマを克服したということもできる。

本発明の光源によると、光出力振幅を大きく確保するとともに、立下り時間を短くすることができる。

実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態） 発光ダイオードは、ハイのときの光出力とローのときの光出力の比（消光比）が１０ｄＢ以上で点滅する。このために、特殊な受信回路が必要とされない。汎用の受信回路で、光出力のハイ状態とロー状態を識別することができる。
（第２形態） 発光ダイオードは、１００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度を実現する速度で点滅する。このために、発光ダイオードの光出力の立下り時間が４．５nsec以下とされている。
（第３形態） 発光ダイオードは、１０ｄＢ以上の消光比と１００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度を実現するように点滅する。

図１に示すように、本実施例の光源は、ＧａＮ（窒化ガリウム）系化合物の単一量子井戸構造（以下、ＳＱＷ（Single Quantum Well）とする）の発光ダイオードＤ２０と、その発光ダイオードにパルス電圧を印加する駆動電圧源１０を備えている。駆動電圧源１０は、デジタルデータに基づいて矩形状のパルス電圧を発光ダイオードＤ２０に印加する。発光ダイオードＤ２０のカソードは、抵抗Ｒ１を介して接地されている。ＳＱＷとは、一対のクラッド層に挟まれている活性層からなる単位積層構造を一組のみ備えていることをいう。本実施例のＳＱＷの発光ダイオードＤ２０は、前記積層構造を一つだけ備えている。本実施例の発光ダイオードＤ２０には、クラッド層あるいは活性層等の形状等に限定はなく、また側面発光型あるいは面発光型のいずれのタイプを利用することができる。発光ダイオードＤ２０の光出力は、図示しないＰＯＦ等の伝送媒体を介して送信され、その光出力は図示しない受信回路によって受信され、電気信号に変換される。このように、ＰＯＦ等を利用して比較的短い距離間（数百メートル以下）の光通信システムが構築されている。

図２（Ａ）に、ＳＱＷの発光ダイオードを用いた場合と、多量子井戸構造（以下、ＭＱＷ（Multi Quantum Well）という。）の発光ダイオードを用いた場合において、光信号がローのときに発光ダイオードに流すバイアス電流（光信号がハイのときに流れる電流と区別して、光信号がローのときに流す電流をここではバイアス電流という。）の大きさと、そのときの立上がり時間を測定した結果を示す。図２（Ｂ）は同様に、立下り時間を測定した結果である。なお、光信号がハイのときに発光ダイオードに流す電流は20mAである。
図２に示すように、ＳＱＷの発光ダイオードＤ２０を用いた場合、ＭＱＷの発光ダイオードを用いた場合に比して、立上がり時間と立下り時間のいずれも大幅に短縮されることが分かる。とくに、図２（Ｂ）に示すように、立下り時間に関しては、バイアス電流が増加するほど顕著に短縮されることが分かる。

図２に示すように、ＳＱＷの発光ダイオードＤ２０の立上がり時間と立下り時間が、ＭＱＷの発光ダイオードに比して短縮されるという現象は有益な結果である。即ち、この結果は、ＭＱＷの発光ダイオードを利用する従来の光源に代えて、ＳＱＷの発光ダイオードを利用する光源を採用すると、立上がり時間と立下り時間が短縮されることを意味する。しかしながら、図２（Ｂ）の特性を利用し、バイアス電流を上げることによって立下り時間を短縮する技術では、光信号がローのときの光出力が大きくなってしまうことから、光信号がハイのときの光出力とローのときの光出力の差、即ち、光出力振幅が低下してしまう。
ところが、図２（Ｂ）に示すように、バイアス電流を加えない場合の立下り時間を見てみると、数ｍＡのバイアス電流を加えた場合と同等程度に、立下り時間が短縮されていることが判明した。そこで、バイアス電流が実質的に流れない範囲のバイアス電圧（発光ダイオードの閾値電圧以下と言い換えることもできる）を加えた場合を詳しく検討したところ、図３に示す測定結果が得られた。

図３（Ａ）に、ＳＱＷの発光ダイオードＤ２０を用いた場合において、光信号がローのときに発光ダイオードＤ２０に印加するバイアス電圧（光信号がハイのときに印加する電圧と区別して、光信号がローのときに印加する電圧をここではバイアス電圧という。）の大きさと、そのときの立上がり時間と立下り時間の測定結果を示す。なお、図右上に、横軸のバイアス電圧に相当するバイアス電流を合わせて示す。本測定結果はバイアス電流が実質的に流れない範囲の測定結果を示すものなので、横軸にはバイアス電圧が採用されている。なお、図３（Ｂ）に、ＭＱＷの発光ダイオードを用いた比較例の測定結果を示す。
図３（Ａ）に示すように、印加するバイアス電圧を変動させると、立下り時間が最も遅くなる（極大値を示す）ときのバイアス電圧が存在する。そのバイアス電圧よりも大きい場合は、バイアス電圧の増大に追随して立下り時間は短縮される。また、立下り時間が最も遅くなるときのバイアス電圧より小さい場合も、そのバイアス電圧の減少に追随して立下り時間は短縮される。図３（Ａ）に示すように、ＳＱＷの発光ダイオードＤ２０の場合、立下り時間が最も遅くなるときのバイアス電圧より小さいバイアス電圧を印加すると、立下り時間が短縮する挙動が得られる電圧領域が存在することを本発明者らは突き止めた。
なお、図３（Ｂ）に示すように、ＭＱＷの発光ダイオードの場合、立下り時間が最も遅くなるときのバイアス電圧より小さい電圧領域において、立下り時間は略一定であると言える。ＳＱＷの発光ダイオードＤ２０のように、立下り時間がはっきりと短縮する挙動を得ることができない。

汎用の受信回路を利用するためには、消光比が１０ｄＢ以上あるのが好ましい。図４に示すように、本実施例では、光信号がハイのときに発光ダイオードＤ２０に流す電流を２０ｍＡに設定しているので、光信号がハイのときに発光ダイオードＤ２０に印加している電圧は３．１Ｖである。図４に示すように、１０ｄＢの消光比を得るには、バイアス電圧を２．８Ｖ以下にしなければならない。バイアス電圧が２．８Ｖのときの立下り時間は、図３（Ａ）に示すように、１１．８４nsecである。従来技術では、バイアス電流が大きいほど、立下り時間が短縮されると考えられていたので、バイアス電圧は１０ｄＢの消光比が得られる２．８Ｖに設定していた。ところが、図３（Ａ）に示すように、ＳＱＷの発光ダイオードＤ２０に関しては、この立下り時間と同等の立下り時間を、１．２Ｖのバイアス電圧でも得られることが判明した。バイアス電圧が１．２Ｖの場合、消光比は１０ｄＢより大きくすることができる。また、バイアス電圧を１．２Ｖよりさらに小さくすると、さらに短い立下り時間と高い消光比を得ることができる。光信号がハイのときに発光ダイオードＤ２０に印加する電圧（３．１Ｖ）と、光信号がローのときに発光ダイオードＤ２０に印加するバイアス電圧（１．２Ｖ）の関係でみると、バイアス電圧は、アース電圧を基準にすると、光信号がハイのときに発光ダイオードＤ２０に印加する電圧の約４０％以下（１．２／３．１×１００）に設定するのが好ましいと言える。

近年のブロードバンドに対応する光通信システムを構築するには、伝送速度を１００Ｍｂｐｓ以上にするのが好ましい。ＭＱＷの発光ダイオードを用いて光通信システムを構築した場合、発光ダイオードにバイアス電流を流すことで立下り時間を短縮し、１００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度を実現できるが、その一方で消光比を１０ｄＢとするのが困難である。即ち、従来技術では、１００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度と１０ｄＢ以上の消光比の両者を同時に具備することは不可能であった。本実施例の発光ダイオード駆動装置ように、ＳＱＷの発光ダイオードＤ２０を用いて、小さいバイアス電圧を印加して光信号を生成すると、１００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度と１０ｄＢ以上の消光比の両者を同時に具備する光通信システムを構築することが初めて実現される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本実施例の発光ダイオード駆動装置の構成を示す。 （Ａ）バイアス電流と立上がり時間の測定結果を示す。（Ｂ）バイアス電流と立下り時間の測定結果を示す。 （Ａ）ＳＱＷの発光ダイオードの応答速度特性を示す。（Ｂ）ＭＱＷの発光ダイオードの応答速度特性を示す。 電圧と光出力の関係を示す。 （Ａ）従来の発光ダイオードに印加するパルス電圧の波形を示す。（Ｂ）従来の発光ダイオードの光出力を示す。

符号の説明

１０：駆動電圧源
Ｄ２０：発光ダイオード
Ｒ１：抵抗

Claims (4)

1. III-V族化合物の単一量子井戸構造の発光ダイオードと、
   その発光ダイオードにパルス電圧を印加するパルス電圧印加手段を備え、
   そのパルス電圧のローレベルの電圧が、発光ダイオードの立下り時間を最も遅くする電圧よりも小さな電圧に設定されていることを特徴とする光源。
2. III-V族化合物の単一量子井戸構造の発光ダイオードと、
   その発光ダイオードにパルス電圧を印加するパルス電圧印加手段を備え、
   そのパルス電圧のローレベルの電圧が、発光ダイオードの閾値電圧よりも小さな電圧に設定されていることを特徴とする光源。
3. III-V族化合物の単一量子井戸構造の発光ダイオードと、
   その発光ダイオードにパルス電圧を印加するパルス電圧印加手段を備え、
   そのパルス電圧のローレベルの電圧が、パルス電圧のハイレベルの電圧の４０％よりも小さな電圧に設定されていることを特徴とする光源。
4. １０ｄＢ以上の消光比と１００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度を実現する光通信用の光源であり、
   III-V族化合物の単一量子井戸構造の発光ダイオードが選択されており、
   その発光ダイオードに印加するパルス電圧のローレベルの電圧が、電圧を減少すると発光ダイオードの立下り時間が速くなる電圧領域に設定されていることを特徴とする光源。

Images