JP2006237092A

JP2006237092A - レーザダイオード変調装置およびその変調方法

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Publication number: JP2006237092A
Application number: JP2005046347A
Authority: JP
Inventors: Junichi Tsuchida; 純一土田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】レーザダイオードの寿命を縮めることなく、発振遅れ時間およびパタン効果の影響を少なくし、これにより信号誤り率の改善が可能なレーザダイオード変調装置およびその変調方法の提供。
【解決手段】入力信号Ｄｉｎのパタンが“０”から“１”に変化した時に、パルス変調制御回路１１はトランジスタ１２を用いてレーザダイオード１３のパルス変調電流Ｉｐを、バイアス制御回路１８はトランジスタ１４および１６を用いてレーザダイオード１３のバイアス電流Ｉｂを、それぞれクロックの一周期分だけ増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザダイオード変調装置およびその変調方法に関し、特に光信号伝送におけるレーザダイオード変調装置およびその変調方法に関する。

光ファイバを伝送媒体とする光伝送システムにおいて、送信側の発光素子としてレーザダイオードが一般に普及している。レーザダイオードの変調方式の一例として、レーザダイオードに印加する電流を変化させ、レーザダイオードの発光および消灯を直接制御する直接変調方式が知られている。

図７はレーザダイオードの電流と光出力との関係の一例を示す特性図である。同図に示すように、直接変調方式のレーザダイオード駆動回路では、レーザダイオードの閾値電流Ｉｔｈ近辺の一定の直流電流（バイアス電流Ｉｂ）を印加した状態にパルス変調電流Ｉｐを重畳させることが一般的である。

レーザダイオードの特性として、レーザがパルス発振する際、パルス変調電流Ｉｐが印加されてからレーザ発振するまでに一定の時間を要する。これを発振遅れ時間（ｔｄ）と呼び、次の式で求められる。

ｔｄ＝τｓ＊ｌｎ（Ｉｐ−Ｉｂ／Ｉｐ−Ｉｔｈ）
ここに、τｓはキャリアのライフタイムを示す。

この発振遅れ時間ｔｄの影響でパタン効果が発生し、光出力波形のアイパタンが悪化することで信号誤り率が悪化する。特に、高速変調時にはこの影響が顕著に現れる。

図８は従来のレーザダイオード変調装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。同図はパルス変調電流Ｉｐの立ち上がりに対しレーザダイオードの光出力Ｐｏの立上がりが時間ｔｄだけ遅れることを示している。

この発振遅れ時間ｔｄを小さくする方法として、バイアス電流Ｉｂやパルス変調電流Ｉｐを大きくする方法がある。その一例として、データが変化しているとき（一例としてバーストデータ）は、常にバイアス電流を増加させる技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。

他の一例として、入力信号が「ハイ」の時のみバイアス電流を流し、入力信号より所定時間遅れて駆動電流を流す技術が開示されている（例えば特許文献２参照）。その他、特許文献３および４等の技術が開示されている。

これらの技術は、定常的にレーザダイオードに印加する電流を増加させるものである。

一方、これとは異なり一時的にレーザダイオードに印加する電流を増加させる技術が開示されている（例えば特許文献５参照）。これは、レーザダイオードの立ち上がり時の駆動電流Ｉｄを、モニタ用フォトダイオードＭＰＤの受光電流に基づいて制御するものである。また、バイアス電流Ｉｂは制御しない。

これに対し、本願発明は入力信号パタンの“０”から“１”への変化時のみに、クロックの１周期分の時間だけバイアス電流Ｉｂとパルス変調電流Ｉｐの両方あるいは一方を増加させるものである。このように、本願と上記特許文献５記載の技術とはその構成および動作が全く相違する別発明である。

再特ＷＯ０１／０１１７４０号公報（第１３頁、第５〜７行、図１０）特開平４−２８３９７８号公報（段落００１２、図１）特開平１１−１１２４３７号公報（段落００１２、図１）特許第３１４０７６３号公報（第３頁、第６欄、第１０〜２２行、図１，２）特開２００３−３４４７９８号公報（段落００１５，００１６、図２）

上記特許文献１〜４記載の技術のように、定常的にレーザダイオードに印加する電流を増加させると、レーザダイオードの寿命が短くなり、かつ“０”信号時にもレーザが発光するため、消光比（信号の“１”と“０”の光出力レベルの比）が悪化するという課題があった。

そこで本発明の目的は、レーザダイオードの寿命を縮めることなく、発振遅れ時間およびパタン効果の影響を少なくし、これにより信号誤り率の改善が可能なレーザダイオード変調装置およびその変調方法を提供することにある。

前記課題を解決するために本発明によるレーザダイオード変調装置は、光信号伝送におけるレーザダイオード変調装置であって、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのパルス変調電流を一定時間増加させるパルス変調制御手段と、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのバイアス電流を一定時間増加させるバイアス制御手段とを含むことを含むことを特徴とする。

また、本発明による他のレーザダイオード変調装置は、光信号伝送におけるレーザダイオード変調装置であって、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのパルス変調電流を一定時間増加させるパルス変調制御手段と、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのバイアス電流を一定時間増加させるバイアス制御手段とのいずれかを含むことを特徴とする。

また、本発明によるレーザダイオード変調方法は、光信号伝送におけるレーザダイオード変調方法であって、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのパルス変調電流を一定時間増加させるパルス変調制御ステップと、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのバイアス電流を一定時間増加させるバイアス制御ステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明による他のレーザダイオード変調方法は、光信号伝送におけるレーザダイオード変調方法であって、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのパルス変調電流を一定時間増加させるパルス変調制御ステップと、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのバイアス電流を一定時間増加させるバイアス制御ステップとのいずれかを含むことを特徴とする。

本発明によれば、入力信号パタンが変化した時に一定時間レーザダイオードのパルス変調電流およびバイアス電流を、またはパルス変調電流およびのバイアス電流のいずれかを増加させる。

本発明によれば、上記構成を含むことにより、レーザダイオードの寿命を縮めることなく、発振遅れ時間およびパタン効果の影響を少なくし、これにより信号誤り率の改善が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係るレーザダイオード変調装置の一例の構成図である。同図を参照すると、本発明に係るレーザダイオード変調装置の一例は、パルス変調制御回路１１と、トランジスタ１２と、レーザダイオード（ＬＤ）１３と、トランジスタ１４と、抵抗１５と、トランジスタ１６と、抵抗１７と、バイアス制御回路１８とを含んで構成される。

パルス変調制御回路１１の出力はトランジスタ１２の第１端子１２ａに入力され、トランジスタ１２の第２端子１２ｂはレーザダイオード１３の陰極端子１３ａに接続される。トランジスタ１２の第３端子１２ｃは接地される。レーザダイオード１３の陽極端子１３ｂには電源電圧Ｖｃｃが印加される。

また、レーザダイオード１３の陰極端子１３ａにはトランジスタ１４の第２端子１４ｂが接続され、トランジスタ１４の第３端子１４ｃは抵抗１５を介して接地される。同様に、レーザダイオード１３の陰極端子１３ａにはトランジスタ１６の第２端子１６ｂが接続され、トランジスタ１６の第３端子１６ｃは抵抗１７を介して接地される。また、トランジスタ１４および１６の第１端子はバイアス制御回路１８に接続される。そして、入力信号Ｄｉｎがパルス変調制御回路１１とバイアス制御回路１８とに入力される。

次に、本発明に係るレーザダイオード変調装置の一例の動作について説明する。図２は本発明に係るレーザダイオード変調装置の一例の動作を示すフローチャートである。レーザダイオード変調装置のパルス変調制御回路１１は入力信号Ｄｉｎのパタン（“０”または“１”）を監視し（ステップＳ１）、入力信号Ｄｉｎのパタンが“０”から“１”に変化した時に（ステップＳ２にて“Ｙ”）、トランジスタ１２の駆動能力を大きくし、パルス変調電流Ｉｐを一定時間増加させる（ステップＳ３）。

すなわち、入力信号Ｄｉｎのパタンが“０”から“１”に変化した時以外は、パルス変調電流ＩｐがＩｐ１であるが、入力信号Ｄｉｎのパタンが“０”から“１”に変化した時はパルス変調電流Ｉｐが一定時間の間Ｉｐ１＋Ｉｐ２となるようにパルス変調制御回路１１が制御する。

また、レーザダイオード変調装置のバイアス制御回路１８も入力信号Ｄｉｎのパタンを監視し（ステップＳ１）、入力信号Ｄｉｎのパタンが“０”から“１”に変化した時に（ステップＳ２にて“Ｙ”）、トランジスタ１４をオン（ＯＮ）にし、トランジスタ１６をオフ（ＯＦＦ）にする。ここに、トランジスタ１４に接続されている抵抗１５の値はトランジスタ１６に接続されている抵抗１７の値よりも小さく設定されている。従って、入力信号Ｄｉｎのパタンが“０”から“１”に変化した時、レーザダイオード（ＬＤ）１３のバイアス電流（Ｉｂ１）はそれ以外の時（Ｉｂ２）に比べ一定時間増加される（ステップＳ３）。

次に、以上の動作をデータの送信（入力信号Ｄｉｎ）が継続する限り繰り返し（ステップＳ４にて“Ｎ”）、データの送信（入力信号Ｄｉｎ）が終了すると（ステップＳ４にて“Ｙ”）、動作は終了となる。

すなわち本発明によれば、入力信号のパタンが“０”から“１”に変化した時に、一定時間だけレーザダイオードに流れるパルス変調電流とバイアス電流とを増加させる構成であるため、レーザダイオードの寿命を縮めることなく、発振遅れ時間およびパタン効果の影響を少なくし、これにより信号誤り率の改善が可能となる。

図３は本発明の第１実施例の回路図である。なお、図１と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。同図は図１におけるトランジスタ１２回路を一例としてトランジスタ１２１と１２２の並列接続回路で構成した場合を示している。

同図を参照すると、パルス変調制御回路１１の出力はトランジスタ１２１の第１端子１２１ａに入力され、トランジスタ１２１の第２端子１２１ｂはレーザダイオード１３の陰極端子１３ａに接続される。同様に、パルス変調制御回路１１の出力はトランジスタ１２２の第１端子１２２ａに入力され、トランジスタ１２２の第２端子１２１ｂはレーザダイオード１３の陰極端子１３ａに接続される。また、トランジスタ１２１および１２２の第３端子１２１ｃおよび１２２ｃは接地される。

次に、本発明の第１実施例の動作について説明する。入力信号Ｄｉｎがパルス変調制御回路１１に入力されると、変調制御回路１１は入力信号Ｄｉｎのパタンに応じたパルス変調電流Ｉｐ１がトランジスタ１２１に流れるようトランジスタ１２１を制御する。一方、入力信号Ｄｉｎのパタンが“０”から“１”に変化すると、変調制御回路１１は一定時間だけパルス変調電流Ｉｐ２がトランジスタ１２２に流れるようトランジスタ１２２を制御する。

すなわち、入力信号Ｄｉｎが入力され、そのパタンが“０”から“１”に変化する時以外はレーザダイオード１３に流れるパルス変調電流ＩｐはＩｐ１だけであるが、そのパタンが“０”から“１”に変化する時はレーザダイオード１３に流れるパルス変調電流ＩｐはＩｐ１＋Ｉｐ２となる。

第１実施例によれば、レーザダイオード１３のパルス変調制御をパルス変調制御回路１１と、２つのトランジスタ１２１，１２２の並列接続回路という比較的簡単な回路を用いて行うことが可能となる。

図４は本発明の第２実施例の回路図である。同図はパルス変調制御回路１１の構成の一例を示している。なお、パルス変調制御回路１１の外部に表示されたトランジスタ１２１および１２２の接続は図３に示すものと同様であるので、その接続についての説明は省略する。また、レーザダイオード１３の表示は省略されている。

同図を参照すると、パルス変調制御回路１１はフリップフロップ（Ｆ／Ｆ）２１と、インバータ２２と、論理和（ＮＯＲ）ゲート２２とを含んで構成される。

フリップフロップ（Ｆ／Ｆ）２１には信号３１とクロック（ＣＬＫ）が入力される。フリップフロップ（Ｆ／Ｆ）２１の出力は論理和（ＮＯＲ）ゲート２２の一方の入力端子に入力される。信号３１はインバータ２２にも入力され、インバータ２２の出力は論理和（ＮＯＲ）ゲート２２の他方の入力端子に入力される。論理和（ＮＯＲ）ゲート２２の出力はトランジスタ１２２の第１端子１２２ａに入力される。信号３１はトランジスタ１２１の第１端子１２１ａに入力される。

次に、パルス変調制御回路１１の動作について説明する。図５は本発明のパルス変調制御回路１１の動作の一例を示すタイミングチャートである。同図の左端に示すＣＬＫはフリップフロップ（Ｆ／Ｆ）２１を動作させるためのクロック、信号３１は入力信号Ｄｉｎ、信号３２はフリップフロップ（Ｆ／Ｆ）２１の出力、信号３３はインバータ２２の出力、信号３４は論理和（ＮＯＲ）ゲート２２の出力をそれぞれ示す。

信号３１がフリップフロップ（Ｆ／Ｆ）２１に入力されると、フリップフロップ（Ｆ／Ｆ）２１はその信号３１をＣＬＫの１周期分だけ保持し信号３２として出力する。インバータ２２は信号３１を反転し、信号３３として出力する。信号３２と信号３３は論理和（ＮＯＲ）ゲート２２に入力され、論理和（ＮＯＲ）ゲート２２の出力はトランジスタ１２２の第１端子１２２ａに入力される。また、信号３１はトランジスタ１２１の第１端子１２１ａにも入力される。

すなわち、信号３１のパタンが“０”から“１”に変化する時だけ、信号３４がＣＬＫの一周期分だけ“１”となる。この期間だけ、トランジスタ１２２がオンとなり、トランジスタ１２２にパルス変調電流Ｉｐ２が流れる。

一方、信号３１はトランジスタ１２１にも入力されており、トランジスタ１２１は信号３１のパタンに応じたパルス変調電流Ｉｐ１を流している。したがって、信号３１のパタンが“０”から“１”に変化する時だけ、レーザダイオード１３に流れるパルス変調電流ＩｐはＩｐ１＋Ｉｐ２となり、それ以外ではパルス変調電流ＩｐはＩｐ１だけとなる。

図６は本発明における入力信号Ｄｉｎと、バイアス電流Ｉｂと、パルス変調電流Ｉｐと、レーザダイオード１３の出力Ｐｏとの関係を示すタイミングチャートである。同図から明らかなように、入力信号Ｄｉｎが“０”から“１”に変化した時に、バイアス電流はＩｂ２からＩｂ１に増加し、パルス変調電流はＩｐ１にＩｐ２が加算され、これによりクロックの１周期分だけレーザダイオード１３の出力Ｐｏが増加することが分かる。

第２実施例によれば、パルス変調制御回路１１をフリップフロップ（Ｆ／Ｆ）２１と、インバータ２２と、論理和（ＮＯＲ）ゲート２２という比較的簡単な回路を用いて構成することが可能となる。

上記実施形態および実施例１，２では、パルス変調電流Ｉｐと、バイアス電流Ｉｂの両方を制御したが、いずれか一方を制御することによっても発振遅れ時間の影響を小さくすることが可能である。これにより、回路規模をさらに小さくかつ発振遅れ時間の影響を小さくすることが可能となる。

コンピュータと周辺装置間などを接続する高速光伝送、および光ファイバを伝送媒体とする光通信システムの中の光送信器（光モジュール）に利用される。具体的には、ファイバチャネル、イーサネット（登録商標）等の汎用インタフェース用の光モジュールに利用される。

本発明に係るレーザダイオード変調装置の一例の構成図である。本発明に係るレーザダイオード変調装置の一例の動作を示すフローチャートである。本発明の第１実施例の回路図である。本発明の第２実施例の回路図である。本発明のパルス変調制御回路１１の動作の一例を示すタイミングチャートである本発明における入力信号Ｄｉｎと、バイアス電流Ｉｂと、パルス変調電流Ｉｐと、レーザダイオード１３の出力Ｐｏとの関係を示すタイミングチャートである。レーザダイオードの電流と光出力との関係の一例を示す特性図である。従来のレーザダイオード変調装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１１パルス変調制御回路
１２，１４，１６トランジスタ
１３レーザダイオード（ＬＤ）
１５，１７抵抗
１８バイアス制御回路
２１フリップフロップ（Ｆ／Ｆ）
２２インバータ
２３論理和（ＮＯＲ）ゲート
１２１，１２２トランジスタ

Claims

光信号伝送におけるレーザダイオード変調装置であって、
入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのパルス変調電流を一定時間増加させるパルス変調制御手段と、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのバイアス電流を一定時間増加させるバイアス制御手段とを含むことを特徴とするレーザダイオード変調装置。
光信号伝送におけるレーザダイオード変調装置であって、
入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのパルス変調電流を一定時間増加させるパルス変調制御手段と、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのバイアス電流を一定時間増加させるバイアス制御手段とのいずれかを含むことを特徴とするレーザダイオード変調装置。
前記パルス変調制御手段は、並列接続された２つのトランジスタと、それらトランジスタを制御するパルス変調制御回路とを含み、前記２つのトランジスタが前記レーザダイオードと直列接続されており、
前記パルス変調制御回路は入力信号パタンが変化した時に、前記２つのトランジスタをオンとし、その時以外はいずれか１つのトランジスタをオンとすることを特徴とする請求項１または２記載のレーザダイオード変調装置。
前記バイアス制御手段は、並列接続された２つのトランジスタと、それらトランジスタを制御するバイアス制御回路とを含み、前記２つのトランジスタが前記レーザダイオードと直列接続されており、
前記バイアス制御回路は入力信号パタンが変化した時に、小さなバイアス電流を供給するトランジスタをオフとして、大きなバイアス電流を供給するトランジスタをオンとし、その時以外は小さなバイアス電流を供給するトランジスタをオンとして、大きなバイアス電流を供給するトランジスタをオフとすることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載のレーザダイオード変調装置。
前記パルス変調制御回路は、入力信号が入力されるフリップフロップと、前記入力信号が入力されるインバータと、前記フリップフロップの出力と前記インバータの出力とが入力される論理ゲートとを含み、前記論理ゲートの出力が一方のトランジスタに入力され、前記入力信号が他方のトランジスタに入力されることを特徴とする請求項３または４記載のレーザダイオード変調装置。
入力信号パタンが“０”から“１”に変化した時に前記パルス変調電流および前記バイアス電流を増加させることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載のレーザダイオード変調装置。
光信号伝送におけるレーザダイオード変調方法であって、
入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのパルス変調電流を一定時間増加させるパルス変調制御ステップと、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのバイアス電流を一定時間増加させるバイアス制御ステップとを含むことを特徴とするレーザダイオード変調方法。
光信号伝送におけるレーザダイオード変調方法であって、
入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのパルス変調電流を一定時間増加させるパルス変調制御ステップと、入力信号パタンが変化した時に前記レーザダイオードのバイアス電流を一定時間増加させるバイアス制御ステップとのいずれかを含むことを特徴とするレーザダイオード変調方法。
入力信号パタンが“０”から“１”に変化した時に前記パルス変調電流および前記バイアス電流を増加させることを特徴とする請求項７または８記載のレーザダイオード変調方法。