JP2006269981A - Optical semiconductor light-emitting element driver circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光半導体発光素子駆動回路に関するものである。 The present invention relates to an optical semiconductor light emitting element driving circuit.
光ファイバー通信等に用いられる光半導体発光素子はその用途によって様々な駆動方法がある。用途は例えば1Gbps以上の高速で数十m以上の距離間の通信を行う場合などである。ギガビット程度の高速で光半導体発光素子を駆動する場合、光半導体発光素子としては通常レーザダイオードが用いられる。通信を行う際にはレーザダイオードに変調されたパルス電流を流し、光をオンまたはオフすることによって通信を行う。 There are various driving methods for optical semiconductor light-emitting elements used for optical fiber communication and the like depending on the application. The application is, for example, when performing communication over a distance of several tens of meters at a high speed of 1 Gbps or more. When an optical semiconductor light emitting device is driven at a high speed of about gigabit, a laser diode is usually used as the optical semiconductor light emitting device. When performing communication, a modulated pulse current is supplied to the laser diode, and the communication is performed by turning light on or off.
レーザダイオードは駆動電流対光出力特性に発振を開始する閾値電流Ithが存在する。また、この閾値電流には温度特性があり、使用される周囲の温度により変化する。 The laser diode has a threshold current Ith for starting oscillation in the drive current vs. optical output characteristics. Further, this threshold current has a temperature characteristic and changes depending on the ambient temperature used.
良好な通信特性を得るために、通常はレーザダイオードに閾値電流付近のバイアス電流を流して、変調を行う。 In order to obtain good communication characteristics, modulation is usually performed by applying a bias current in the vicinity of the threshold current to the laser diode.
バイアス電流が閾値電流よりも極端に低い電流である場合と閾値電流付近にある場合とのアイパターンについては例えば米国ハネウェル(Honeywell)社のアプリケーションシート(Modulating VCSELs,006703-1-EN)の9ページに記載されている。バイアス電流が閾値電流付近にある場合にアイパターンは良好となる。紹介した文献はVCSELと呼ばれる面発光型のレーザダイオードの諸特性について述べている。 Regarding the eye pattern when the bias current is extremely lower than the threshold current and when the bias current is near the threshold current, for example, page 9 of Honeywell's application sheet (Modulating VCSELs, 006703-1-EN) It is described in. The eye pattern is good when the bias current is near the threshold current. The document introduced describes the characteristics of a VCSEL called VCSEL.
従って、良好な通信を行うにはバイアス電流が閾値電流付近に設定されていることが必要となる。 Therefore, in order to perform good communication, it is necessary that the bias current is set near the threshold current.
しかし、先に述べたようにレーザダイオードの閾値電流には温度特性がある。このため、使用される周囲の温度によって閾値電流が変動するため、温度を検出してバイアス電流を閾値電流付近に設定するような工夫が必要となる。 However, as described above, the threshold current of the laser diode has temperature characteristics. For this reason, since the threshold current varies depending on the ambient temperature to be used, it is necessary to devise a method for detecting the temperature and setting the bias current near the threshold current.
従来の閾値電流の制御方式として例えば特許文献1が上げられる。ここで提案された方式によれば閾値電流の温度変化に追随して閾値電流付近に精度良く直流バイアス電流をレーザダイオードに供給することが可能である。
For example,
しかし、これまでの通常レーザダイオードではその閾値電流は温度上昇と共にその電流が上昇する温度特性を持っており、先に紹介した米国Honeywell社のアプリケーションシート(Modulating VCSELs,006703-1-EN)の3ページに記載されているような、温度25℃を中心としてそれ以下の低温側では電流が上昇し、それ以上の高温側でも電流が上昇する放物線形状の温度特性を持った(文献ではparabolic shapeと紹介されている)閾値電流の制御は、従来の技術では行うことができなかった。このため、特に低温側で閾値電流付近にバイアス電流を供給できないためにアイパターンの劣化が発生し、通信特性が劣化する。 However, conventional laser diodes have a temperature characteristic in which the threshold current increases as the temperature rises. The application sheet (Modulating VCSELs, 006703-1-EN) of US Honeywell previously introduced 3 As shown on the page, it has a parabolic temperature characteristic in which the current rises on the low temperature side below 25 ° C, and the current rises on the higher temperature side. Control of the threshold current (as introduced) has not been possible with the prior art. For this reason, since the bias current cannot be supplied near the threshold current particularly on the low temperature side, the eye pattern deteriorates and the communication characteristics deteriorate.
また、レーザダイオードによっては特に高温度側において急激に閾値電流が増加する場合もあり、従来例の制御方式では閾値電流の温度特性にバイアス電流が追従できなかった。
本発明は、光半導体発光素子の閾値電流の温度特性に追従した光半導体発光素子駆動用のバイアス電流を生成することが可能な光半導体発光素子駆動回路を提供することを目的とするものである。 It is an object of the present invention to provide an optical semiconductor light emitting element driving circuit capable of generating a bias current for driving an optical semiconductor light emitting element that follows the temperature characteristics of the threshold current of the optical semiconductor light emitting element. .
本発明の一態様によれば、周囲温度に対して正の傾き又は負の傾きを持つ電圧又は電流を生成する温度係数信号生成回路と、
前記温度係数信号生成回路の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を所定の温度勾配に反転して第1の出力信号として出力する第1の増幅回路と、
前記温度係数信号生成回路の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を所定の温度勾配で反転せずに第2の出力信号として出力する第2の増幅回路と、
前記第1の出力信号と前記第2の出力信号とが入力され、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号とのいずれかを選択し、その信号を基にバイアス電流又は変調電流を生成する出力回路と、を有する光半導体発光素子駆動回路が提供される。
According to one aspect of the present invention, a temperature coefficient signal generation circuit that generates a voltage or current having a positive slope or a negative slope with respect to the ambient temperature;
A first amplifier circuit that receives the voltage or current of the temperature coefficient signal generation circuit, inverts the voltage or current to a predetermined temperature gradient, and outputs the first output signal;
A second amplification circuit that receives the voltage or current of the temperature coefficient signal generation circuit and outputs the second output signal without inverting the voltage or current at a predetermined temperature gradient;
The first output signal and the second output signal are input, and either the first output signal or the second output signal is selected, and a bias current or a modulation current is selected based on the signal. An optical semiconductor light emitting element driving circuit having an output circuit to be generated is provided.
本発明の他の態様によれば、周囲温度に対して正の傾き又は負の傾きを持つ電圧又は電流を生成する温度係数信号生成回路と、
周囲温度に対して略ゼロの傾きを持つ基準信号を生成する基準信号生成回路と、
前記温度係数信号生成回路の温度係数信号の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を所定の温度勾配に反転して第1の出力信号として出力する反転増幅回路と、
前記温度係数信号生成回路の温度係数信号の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を所定の温度勾配で反転せずに第2の出力信号として出力する非反転増幅回路と、
前記第1の出力信号と前記第2の出力信号と前記基準信号とが入力され、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号と前記基準信号とのいずれかを選択し、その信号を基にバイアス電流又は変調電流を生成する出力回路と、を有する光半導体発光素子駆動回路が提供される。
According to another aspect of the present invention, a temperature coefficient signal generation circuit that generates a voltage or current having a positive slope or a negative slope with respect to the ambient temperature;
A reference signal generation circuit that generates a reference signal having a substantially zero slope with respect to the ambient temperature;
An inverting amplifier circuit that receives the voltage or current of the temperature coefficient signal of the temperature coefficient signal generation circuit, inverts the voltage or current to a predetermined temperature gradient, and outputs the inverted signal as a first output signal;
A non-inverting amplifier circuit that receives the voltage or current of the temperature coefficient signal of the temperature coefficient signal generation circuit and outputs the second output signal without inverting the voltage or current at a predetermined temperature gradient;
The first output signal, the second output signal, and the reference signal are input, and one of the first output signal, the second output signal, and the reference signal is selected, and the signal is There is provided an optical semiconductor light emitting element driving circuit having an output circuit for generating a bias current or a modulation current based on the output circuit.
本発明のもう1つの他の態様によれば、周囲温度に対して正の傾き又は負の傾きを持つ電圧又は電流を生成する温度係数信号生成回路と、
前記温度係数信号生成回路の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を所定の温度勾配に反転して第1の出力信号として出力する第1の増幅回路と、
前記温度係数信号生成回路の電圧又は電流が入力され、少なくとも2つ以上の反転増幅回路を用いて前記電圧又は電流を所定の温度勾配で反転せずに第2の出力信号として出力する第2の増幅回路と、
前記温度係数信号生成回路の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を略ゼロの温度勾配に反転して、周囲温度に対して略ゼロの傾きを持つ第3の出力信号を出力する第3の増幅回路と、
前記第1の出力信号と前記第2の出力信号と前記第3の出力信号とが入力され、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号と前記第3の出力信号とのいずれかを選択し、その信号を基にバイアス電流又は変調電流を生成する出力回路と、を有する光半導体発光素子駆動回路が提供される。
According to another aspect of the present invention, a temperature coefficient signal generation circuit that generates a voltage or current having a positive slope or a negative slope with respect to the ambient temperature;
A first amplifier circuit that receives the voltage or current of the temperature coefficient signal generation circuit, inverts the voltage or current to a predetermined temperature gradient, and outputs the first output signal;
A voltage or current of the temperature coefficient signal generation circuit is input, and at least two or more inverting amplification circuits are used to output the voltage or current as a second output signal without being inverted at a predetermined temperature gradient. An amplifier circuit;
A voltage or current of the temperature coefficient signal generation circuit is input, the voltage or current is inverted to a substantially zero temperature gradient, and a third output signal having a substantially zero gradient with respect to the ambient temperature is output. An amplifier circuit of
The first output signal, the second output signal, and the third output signal are input, and any one of the first output signal, the second output signal, and the third output signal is obtained. There is provided an optical semiconductor light emitting element driving circuit having an output circuit that selects and generates a bias current or a modulation current based on the signal.
本発明は、光半導体発光素子の閾値電流の温度特性に追従した光半導体発光素子駆動用のバイアス電流又は変調電流を生成することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to generate a bias current or a modulation current for driving an optical semiconductor light emitting element that follows the temperature characteristics of the threshold current of the optical semiconductor light emitting element.
発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
発明の実施形態1の光半導体発光素子駆動回路を図1で説明する前に、図8乃至図10を参照して本発明に係る光送信モジュールの全体構成及びそれに使用される面発光型のレーザダイオードの温度特性について説明する。
Embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
Before explaining the optical semiconductor light emitting element driving circuit according to the first embodiment of the present invention with reference to FIG. 1, referring to FIG. 8 to FIG. 10, the entire configuration of the optical transmission module according to the present invention and the surface emitting laser used therefor The temperature characteristics of the diode will be described.
図8は、光送信モジュール100の全体図を示している。光送信モジュール100は、光半導体発光素子としてVCSEL(垂直表面発光型レーザ)のような面発光型のレーザダイオードLD1と、光半導体発光素子駆動回路200としてのレーザドライバIC1とを備えている。
FIG. 8 shows an overall view of the
レーザドライバIC1は、面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従したレーザダイオード駆動用のバイアス電流Ibiasを生成するバイアス電流生成回路と、高速に変調された電流信号(変調電流Im)を発生し、前記バイアス電流生成回路から供給されるバイアス電流Ibiasに対して印加する高速変調回路と、を備えている。 The laser driver IC1 includes a bias current generation circuit that generates a bias current Ibias for driving the laser diode that follows the temperature characteristic of the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD1, and a current signal (modulation current Im that is modulated at high speed). And a high-speed modulation circuit that applies the bias current Ibias supplied from the bias current generation circuit.
或いは、レーザドライバIC1は、周囲温度に依存せず常にほぼ一定の定電流をバイアス電流Ibias として生成するバイアス電流生成回路と、面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従したレーザダイオード駆動用の高速変調信号(変調電流Im)を発生し、この高速変調信号(変調電流Im)を前記バイアス電流生成回路から供給されるバイアス電流Ibiasに対して印加する高速変調回路と、を備えた構成となっていてもよい。バイアス電流Ibiasとしては、例えば室温(25℃)における面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithに相当する定電流とすれば良い。 Alternatively, the laser driver IC1 is a laser that follows the temperature characteristics of the bias current generation circuit that always generates a substantially constant current as the bias current Ibias without depending on the ambient temperature and the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD1. A high-speed modulation circuit that generates a high-speed modulation signal (modulation current Im) for driving a diode and applies the high-speed modulation signal (modulation current Im) to the bias current Ibias supplied from the bias current generation circuit. It may be configured. As the bias current Ibias, for example, a constant current corresponding to the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD1 at room temperature (25 ° C.) may be used.
光送信モジュール100には、電源Vccライン,グランドGNDラインのほか、データ信号を入力するためのデータラインData+,Data- が接続している。データラインData+,Data- は、外部のデータ信号発生回路(図示せず)で生成したデータ信号(‘1’,‘0’のデジタル信号に対応したパルス信号)をレーザドライバIC1内の前記高速変調回路に供給するためのデータ供給ラインである。
In addition to the power supply Vcc line and the ground GND line, the
従って、レーザダイオードLD1には、バイアス電流Ibiasに変調された電流信号(変調電流Im)を重畳した駆動電流が供給され、その駆動電流に応じた光電力が出力されることになる。 Therefore, the laser diode LD1 is supplied with a drive current in which a modulated current signal (modulated current Im) is superimposed on the bias current Ibias, and optical power corresponding to the drive current is output.
光送信モジュール100のレーザダイオードLD1から出射された光出力は、光ファイバー120の一端に入射し、光ファイバー120の中を数十〜数百mの距離を走行して他端に置かれた図示しない受信モジュールに受信されるようになっている。
The light output emitted from the laser diode LD1 of the
図9は、レーザダイオードの駆動電流対光出力特性を示す図である。横軸は駆動電流、縦軸は光出力としての光電力である。 FIG. 9 is a diagram showing the drive current versus optical output characteristics of a laser diode. The horizontal axis is the drive current, and the vertical axis is the optical power as the optical output.
図9において、発振を開始する閾値電流Ithまでの駆動電流の増加に対してレーザダイオードはほとんど発光せず、閾値電流Ithに達した後、ある一定の傾きで線形的に光電力は増大する。このような、レーザダイオードの特性のため、閾値電流Ithが周囲温度によって変動したとしても、安定的に光電力を得るためにバイアス電流Ibiasとしては閾値電流Ithと同じ値に設定することが必要である。何故なら、バイアス電流Ibiasが閾値電流Ithよりもかなり低いと、変調電流Imが加えられたとき発光に遅れが出て光出力のパルス幅が狭くなったりオーバーシュートが大きくなったりして、結果的にアイパターンに劣化を生じる。このため、バイアス電流Ibiasとしては閾値電流Ithと同じ値に設定することが必要となるわけである。そして、バイアス電流Ibiasを閾値電流Ithと同じ値に設定した場合、変調電流Imに応じて図8に示すPHO0〜PHO1のレベルの光電力が発生される。消光比は、光電力PHO0と光電力PHO1との比を表している。 In FIG. 9, the laser diode emits little light with respect to the increase in drive current up to the threshold current Ith at which oscillation starts, and after reaching the threshold current Ith, the optical power increases linearly with a certain slope. Due to the characteristics of the laser diode, even if the threshold current Ith varies depending on the ambient temperature, it is necessary to set the bias current Ibias to the same value as the threshold current Ith in order to stably obtain optical power. is there. This is because if the bias current Ibias is much lower than the threshold current Ith, the light emission is delayed when the modulation current Im is applied, and the pulse width of the light output becomes narrower or the overshoot becomes larger. The eye pattern deteriorates. For this reason, it is necessary to set the bias current Ibias to the same value as the threshold current Ith. When the bias current Ibias is set to the same value as the threshold current Ith, optical power having a level of PHO0 to PHO1 shown in FIG. 8 is generated according to the modulation current Im. The extinction ratio represents the ratio between the optical power PHO0 and the optical power PHO1.
図10は、面発光型のレーザダイオードの閾値電流の温度特性を示している。横軸は温度、縦軸は閾値電流である。面発光型のレーザダイオードの閾値電流の温度特性は、周囲温度の変化に対して例えば25℃を中心として低温側,高温側で共に閾値電流が上昇する放物線形状を有している。この放物線形状の温度特性は、面発光型のレーザダイオードの種類によって或いは製造誤差によってその放物線の形状が異なり、低温側と高温側で電流の減少及び増加の割合が異なっていたりする。符号A,B,Cは放物線形状の温度特性例を示している。 FIG. 10 shows the temperature characteristics of the threshold current of the surface emitting laser diode. The horizontal axis is temperature, and the vertical axis is threshold current. The temperature characteristic of the threshold current of the surface emitting laser diode has a parabolic shape in which the threshold current increases on both the low temperature side and the high temperature side, for example, around 25 ° C. with respect to a change in ambient temperature. The temperature characteristics of the parabola shape vary depending on the type of the surface emitting laser diode or the manufacturing error, and the rate of decrease and increase in current differs between the low temperature side and the high temperature side. Symbols A, B, and C show examples of parabolic temperature characteristics.
以上のことから、面発光型のレーザダイオードLD1に供給するバイアス電流Ibiasとしては、周囲温度が変動しても図10に示したような閾値電流の温度特性に追従したバイアス電流を生成することが必要となる。なお、図8で説明したように、レーザダイオードLD1に供給するバイアス電流Ibiasに代えて、バイアス電流Ibiasは温度特性を持たない一定電流とし、面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従した変調電流Imを生成するようにしてもよい。
[実施形態1]
From the above, as the bias current Ibias supplied to the surface emitting laser diode LD1, a bias current that follows the temperature characteristics of the threshold current as shown in FIG. 10 can be generated even if the ambient temperature fluctuates. Necessary. As described in FIG. 8, instead of the bias current Ibias supplied to the laser diode LD1, the bias current Ibias is a constant current having no temperature characteristics, and the temperature characteristics of the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD1. The modulation current Im may be generated following the above.
[Embodiment 1]
図1は本発明の実施形態1の光半導体発光素子駆動回路の構成図を示している。図1は、光半導体発光素子駆動回路200とこれによって駆動される面発光型のレーザダイオードLD1とを有した光送信モジュール100の構成を示している。
FIG. 1 shows a configuration diagram of an optical semiconductor light emitting element driving circuit according to
図1において、光半導体発光素子駆動回路200は、光半導体発光素子である面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従したレーザダイオード駆動用のバイアス電流Ibiasを生成するバイアス電流生成回路(101〜109)と、高速に変調された電流信号(変調電流Im)を発生し、前記バイアス電流生成回路から供給されるバイアス電流Ibiasに対して印加する高速変調回路111と、を備えている。
In FIG. 1, an optical semiconductor light emitting
バイアス電流生成回路(101〜109)は、トランジスタの温度依存性を利用した回路で構成され、温度Tに対して正の温度係数を有する電圧を生成する温度係数信号生成回路としての温度係数回路101と、温度に依存しない安定した電圧を生成するバンドギャップリファレンス型の基準電圧回路109と、温度係数回路101で生成された電圧と基準電圧回路109で生成された電圧とを用いて所望の負の倍率の電圧を生成する第1の増幅回路としての反転増幅回路102と、温度係数回路101で生成された電圧を用いて所望の正の倍率の電圧を生成する第2の増幅回路としての非反転増幅回路103と、反転増幅回路102から出力される電圧のレベルをシフトするレベルシフト回路104と、非反転増幅回路103から出力される電圧のレベルをシフトするレベルシフト回路105と、レベルシフト回路104,105によって生成された2つの電圧を互いに重ね合わせていずれか高い方の電圧を出力するための2つのエミッタフォロア106,107で構成される重畳出力回路110と、重畳出力回路110により生成された電圧を、レーザダイオードLD1を駆動するためのバイアス電流に変換する電圧・電流変換回路108と、を備えている。各回路ブロック101〜109は電源VccとグランドGND間に接続されている。
The bias current generation circuit (101 to 109) is configured by a circuit using the temperature dependence of the transistor, and the
なお、レベルシフト回路104,105はレベルシフト手段を構成している。また、重畳出力回路110及び電圧・電流変換回路108は、前段回路からの2つの出力信号が入力され、当該2つの出力信号のいずれかを選択し、その信号を基にバイアス電流を生成する出力回路を構成している。
The
LD1は 面発光型のレーザダイオードであって、例えばVCSEL(垂直表面発光型レーザ)で構成されている。レーザダイオードLD1の一端は電源Vccに接続し、他端は電圧・電流変換回路108の電流制御トランジスタに接続している。電圧・電流変換回路108の電流制御トランジスタを含むバイアス電流出力部の両端には、高速に変調された電流信号(変調電流)を供給する高速変調回路111が並列に接続されている。高速変調回路111は、例えば変調されたパルス電流を供給する電流源I4で構成されている。バイアス電流に高速変調信号(変調電流)を印加する方式となっている。
LD1 is a surface-emitting laser diode, and is composed of, for example, a VCSEL (vertical surface-emitting laser). One end of the laser diode LD1 is connected to the power supply Vcc, and the other end is connected to the current control transistor of the voltage /
温度係数回路101はVT基準回路とも呼ばれておりkT/qに正の係数を掛けた、温度に比例した電圧を生成することができる。ここでkはボルツマン定数、qは電荷、Tは絶対温度を表している。温度係数回路101は例えばトランジスタの温度依存性を利用して正の温度係数を持った電圧を生成する。そして、温度係数回路101で生成された、温度に対して正の傾きを持つ電圧は反転増幅回路102と非反転増幅回路103とに供給される。
反転増幅回路102は、オペアンプU1と抵抗R1,R2を備え、マイナス端子に抵抗R1を介して前記温度係数回路101からの電圧を入力し、プラス端子に基準電圧回路109からの電圧が入力し、マイナス端子と出力端子間に抵抗R2を接続している。また、非反転増幅回路103は、オペアンプU2と抵抗R3,R4を備え、プラス端子に前記温度係数回路101からの電圧が入力し、マイナス端子は抵抗R4を介してグランドGNDに接続し、マイナス端子と出力端子間に抵抗R3を接続している。
The
The inverting
反転増幅回路102は、抵抗R1と抵抗R2の比により増幅率を設定でき、かつ出力電圧の傾きは入力電圧に対して反転する。従って、反転増幅回路102の出力は温度に対して負の傾き(負の温度係数)を有し、抵抗R1と抵抗R2による増幅率の設定によって温度に対する負の傾きを設定することができる。
The inverting
非反転増幅回路103は、抵抗R3と抵抗R4の比により増幅率を設定でき、かつ出力電圧の傾きは入力電圧と同じ(非反転)になる。従って、非反転増幅回路103の出力は温度に対して正の傾き(正の温度係数)有し、抵抗R3と抵抗R4による増幅率の設定によって温度に対する正の傾きを設定することができる。
The
温度に対して正負の傾きを作成したのは、本実施形態1に使用する光半導体発光素子としてのVCSEL(垂直表面発光型レーザ)の温度特性(例えば図10に示す温度対閾値電流)に合うように或る温度点において電圧の傾きを変えたいからである。その目的のために、所望の温度点で傾きを変える必要性がある。傾きを変える温度点を変曲点という。変曲点は面発光型のレーザダイオードLD1の温度特性に応じて1つ以上形成することが必要となる。 The reason why the positive / negative slope is created with respect to the temperature matches the temperature characteristics (for example, temperature vs. threshold current shown in FIG. 10) of the VCSEL (vertical surface emitting laser) as the optical semiconductor light emitting device used in the first embodiment. This is because it is desired to change the slope of the voltage at a certain temperature point. For that purpose, it is necessary to change the slope at the desired temperature point. The temperature point that changes the slope is called the inflection point. It is necessary to form one or more inflection points according to the temperature characteristics of the surface emitting laser diode LD1.
反転増幅回路102と非反転増幅回路103によって、温度に対して正負の傾き(正負の温度係数)を得ることができる。ただし、そのまま重ね合わせても所望の温度点で傾きを変えることができるとは限らない。しかし、レベルシフト回路104,105,112にてそれぞれ適宜に電圧レベルを調整することで所望の温度点で傾きを変えた所望の曲線を得ることができる。
The inverting
レベルシフト回路104,105によってレベルシフトされた電圧はそれぞれ、重畳出力回路110を構成するエミッタフォロワ106,107を通して、重ね合わせられる。エミッタフォロワ106は、電源VccとグランドGND間に、トランジスタQ1のコレクタ・エミッタと定電流源I1を直列接続して構成され、トランジスタQ1のベースにレベルシフト回路104の出力電圧が入力される。エミッタフォロワ107は、電源VccとグランドGND間に、トランジスタQ2のコレクタ・エミッタと定電流源I2を直列接続して構成され、トランジスタQ2のベースにレベルシフト回路105の出力電圧が入力される。そして、トランジスタQ1,Q2のエミッタは共通に接続され、その共通エミッタ出力が次段の電圧・電流変換回路108へ出力される。エミッタフォロワ106,107で重ね合わせられた点の電圧は高い電位の方にクランプされるので、レベルシフト回路104,105によって生成された電圧の高い方の電圧が重畳出力回路110から出力される。
The voltages level-shifted by the
なお、重畳出力回路110において、エミッタフォロア106,107の定電流源I1,I2は、1つの定電流源、或いは1つの抵抗に置き換えた構成としても良い。
In the
電圧・電流変換回路108は、エラーアンプ用のオペアンプU3と電流制御用のNPN形バイポーラトランジスタQ4と抵抗R5とで構成され、入力電圧に比例した電流を出力する機能を有している。エラーアンプ用のオペアンプU3のプラス端子には重畳出力回路110の出力電圧が入力電圧Vinとして入力し、オペアンプU3から出力されるエラー電圧は電流制御トランジスタQ4のベースに入力し、トランジスタQ4のコレクタはレーザダイオードLD1の−極の一端に接続し、トランジスタQ4のエミッタはオペアンプU3のマイナス端子に接続する一方抵抗R5を介してグランドGNDに接続し、トランジスタQ4を流れる電流によって抵抗R5に生じる電圧がオペアンプU3のマイナス端子に帰還される構成となっている。これは、オペアンプU3の入力電圧をVin、抵抗R5に流れる電流をIbiasとすると、抵抗R5に流れる電流によって生じる電圧降下Ibias・R5がVinに等しくなるようにエラーアンプU3が働き、電流Ibiasが制御されるためである。従って、Ibias=Vin/R5となる。なお、バイポーラトランジスタQ4に代えてFETを用いることもできる。電流の絶対値は抵抗R5により調整可能であり、このようにして面発光型のレーザダイオードLD1の温度変化に追従するバイアス電流IbiasをレーザダイオードLD1に供給することが可能となる。
The voltage /
以上の図1の構成においては、トランジスタの温度依存性を利用して温度係数を持った電圧を生成し反転増幅及び非反転増幅し、それらを適宜にレベルシフトすることよって、所望の負の傾きを持った電圧、所望の正の傾きを持った電圧を得る。そして、これらの電圧を重ね合わせることによって、周囲温度に対していずれか高い電圧が出力され、該電圧を電流に変換して面発光型のレーザダイオードのバイアス電流として使用する。バイアス電流は、結果として面発光型のレーザダイオードの閾値電流の温度特性に追従した温度特性を持った電流とされるので、周囲温度の変化によってレーザダイオードの閾値電流が変動したとしても、その変動に追従したバイアス電流を得、温度変化による消光比特性の劣化がなく、且つ温度変化によるアイパターンの劣化のない光出力を発生することができる。 In the configuration of FIG. 1 described above, a voltage having a temperature coefficient is generated by utilizing the temperature dependence of the transistor, inverted amplification and non-inversion amplification are performed, and a level shift is appropriately performed to thereby obtain a desired negative slope. And a voltage having a desired positive slope. Then, by superimposing these voltages, a higher voltage is output with respect to the ambient temperature, and the voltage is converted into a current, which is used as a bias current for the surface emitting laser diode. As a result, the bias current has a temperature characteristic that follows the temperature characteristic of the threshold current of the surface emitting laser diode. Therefore, even if the threshold current of the laser diode fluctuates due to changes in the ambient temperature, the fluctuation Thus, it is possible to generate a light output without deterioration of extinction ratio characteristics due to temperature change and without eye pattern deterioration due to temperature change.
実施形態1では正負の温度に対する傾きで、バイアス電流Ibiasの温度曲線を作ったが温度に対する傾きの違う正同士または負同士で作成することも可能である。また、温度や電源電圧に対して精度良く基準電圧を生成できるバンドギャップリファレンス型の基準電圧回路109を利用して温度に対する正負の傾きを持った電圧を生成することで、電源電圧変動に対して安定化することが可能であり、また、ボルテージフォロワを取り付けてレベルシフトを行い、エミッタフォロワ106,107と同等の回路を追加して前述の電圧を供給することで温度変化に対して閾値電流に追従するのバイアス電流を得ることも可能である。
In the first embodiment, the temperature curve of the bias current Ibias is created with the slope with respect to the positive and negative temperatures. However, the bias current Ibias may be created with positive or negative slopes having different slopes with respect to the temperature. In addition, by generating a voltage having a positive / negative slope with respect to temperature by using a band gap reference type
図2は上記温度係数回路101の一実施例を示す回路図である。
図2に示す温度係数回路101は、電源V1(例えば3.3V)とGND間に、電源投入時における始動回路としての、トランジスタQ11〜Q13と抵抗R9から成るスタートアップ回路115と、トランジスタQ6〜Q10と抵抗R7,R8から成り、トランジスタの温度依存性を利用して環境温度に比例した電圧を出力する温度係数信号発生回路116とを備えている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an embodiment of the
The
スタートアップ回路115は、電源V1とグランドGND間に、抵抗R9とコレクタ・ベース間が共通接続された2つのトランジスタQ12,Q13とが直列接続し、抵抗R9とトランジスタQ12の接続点をベース・エミッタ間が共通接続されたトランジスタQ11のコレクタ・エミッタを介して、温度係数信号発生回路116のコレクタ電流路に接続している。
The start-up
スタートアップ回路115は、温度係数信号発生回路116へ電源を投入する時に、ダイオード接続されたトランジスタQ12,Q13のコレクタ電圧が急激に立ち上がることで、速やかにトランジスタQ11が稼動し、その結果、温度係数信号発生回路116のトランジスタQ8,Q9の共通接続されたベースに電流が振り込まれることで、温度係数信号発生回路116に動作を開始させる。
When the temperature coefficient
温度係数信号発生回路116は、2つのPNP形トランジスタQ6,Q7を備え、これら2つのトランジスタは、電源V1にエミッタが共通に接続され且つベースが共通に接続されており、かつトランジスタQ7のベース・コレクタが共通に接続され、トランジスタQ6,Q7の各コレクタに同じ大きさの電流Icを出力するカレントミラー回路と、エミッタ面積の異なる2つのNPN形トランジスタQ8,Q9を備え、トランジスタQ8,Q9のエミッタ面積の比は1:4とされ、トランジスタQ8のコレクタは前記トランジスタQ6のコレクタに接続され、トランジスタQ9のコレクタは前記トランジスタQ7のコレクタに接続され、かつトランジスタQ8のコレクタ・ベースが共通に接続され、トランジスタQ8,Q9のベースが共通に接続されており、トランジスタQ9のエミッタは抵抗R7を介してグランドGNDに接続され、かつトランジスタQ8のエミッタは直接グランドGNDに接続され、コレクタ電流Icとして環境温度に比例した電流を得るためのサーマル回路と、トランジスタQ10とこれに直列接続した抵抗R8からなり、トランジスタQ10はそのエミッタが電源V1に接続され、ベースが前記トランジスタQ6,Q7の共通ベースに接続され、コレクタが抵抗R8を介してグランドGNDに接続され、抵抗R8の一端に温度に比例した電圧Voutを出力する出力回路と、を備えている。
The temperature coefficient
以下に、温度係数信号発生回路116の動作を数式を用いて説明する。
使用されるバイポーラトランジスタについては、次式が成り立つ。
Ic=Is・exp (VBE/VT) (1)
ただし、Isは飽和電流、VBEはベース・エミッタ間電圧、VTはkT/qで、kはボルツマン定数、qは素電荷、Tは絶対温度である。
Hereinafter, the operation of the temperature coefficient
The following equation holds for the bipolar transistor used.
Ic = Is · exp (VBE / VT) (1)
Where Is is a saturation current, VBE is a base-emitter voltage, VT is kT / q, k is a Boltzmann constant, q is an elementary charge, and T is an absolute temperature.
トランジスタQ6,Q7は同一サイズのPNP形トランジスタとすると、トランジスタQ6とトランジスタQ7に流れるコレクタ電流Icは同じになる。 If the transistors Q6 and Q7 are PNP transistors of the same size, the collector currents Ic flowing through the transistors Q6 and Q7 are the same.
上式(1)から、トランジスタQ8,Q9について、それぞれのベース・エミッタ間電圧をVBE8,VBE9とすると、
VBE8=VT・ln (Ic/Is) (2)
VBE9=VT・ln{Ic/(4・Is)} (3)
IcはトランジスタQ9に流れるコレクタ電流と同じなので
Ic=(VBE8−VBE9)/R1 (4)
従って、
Ic=VT・ln (Ic/Is・4Is/Ic) (5)
Ic=VT・ln (4) (6)
∴ Icは温度に比例した電流となる。
From the above equation (1), assuming that the base-emitter voltages of the transistors Q8 and Q9 are VBE8 and VBE9,
VBE8 = VT ・ ln (Ic / Is) (2)
VBE9 = VT · ln {Ic / (4 · Is)} (3)
Since Ic is the same as the collector current flowing through transistor Q9, Ic = (VBE8-VBE9) / R1 (4)
Therefore,
Ic = VT ・ ln (Ic / Is ・ 4Is / Ic) (5)
Ic = VT ・ ln (4) (6)
∴ Ic is a current proportional to temperature.
抵抗R8に発生する電圧Voutは
Vout=R8・Ic (7)
になるので、出力される電圧Voutは温度に比例することになる。
The voltage Vout generated in the resistor R8 is Vout = R8 · Ic (7)
Therefore, the output voltage Vout is proportional to the temperature.
図3は図2の温度係数回路(温度係数信号発生回路)によって得られる温度対電圧の関係を測定した結果を示すグラフである。温度に比例した電圧出力が得られている。 FIG. 3 is a graph showing the results of measuring the relationship between temperature and voltage obtained by the temperature coefficient circuit (temperature coefficient signal generation circuit) of FIG. A voltage output proportional to temperature is obtained.
図4は上記バンドギャップリファレンス型基準電圧回路109の一実施例を示す回路図である。
図4に示すバンドギャップリファレンス型基準電圧回路109は、電源VccとグランドGND間に、定電流源I11とNPN形トランジスタQ15のコレクタ・エミッタを直列に接続した回路と、コレクタが電源Vccに接続し、ベースが前記トランジスタQ15のコレクタに接続したトランジスタQ14と、エミッタ面積の異なる2つのPNP形トランジスタQ16,Q17を備え、トランジスタQ16,Q17のエミッタ面積の比はN:1とされ、トランジスタQ16のコレクタは抵抗R13を介して前記トランジスタQ14のエミッタに接続し、Q16のエミッタは抵抗R11を介してグランドGNDに接続し、トランジスタQ17のコレクタは抵抗R12を介して前記トランジスタQ14のエミッタに接続し、Q17のベースは前記トランジスタQ16のベースに共通接続し、且つQ17のコレクタ・ベース間は共通に接続し、Q17のエミッタは直接グランドGNDに接続し、トランジスタQ14と抵抗R12の接続点から温度に依存しない一定のバンドギャップ基準電圧VBGを出力する回路と、を備えている。
FIG. 4 is a circuit diagram showing one embodiment of the band gap reference type
A band gap reference type
以下に、バンドギャップリファレンス型基準電圧回路109の動作を数式を用いて説明する。
使用されるバイポーラトランジスタについては、上記式(1)と同様に次式が成り立つ。
Ic=Is・exp (VBE/VT)
ただし、Isは飽和電流、VBEはベース・エミッタ間電圧、VTはkT/qで、kはボルツマン定数、qは素電荷、Tは絶対温度である。トランジスタQ15,Q16,Q17のベース・エミッタ間電圧をそれぞれVBE15,VBE16,VBE17とし、Q15,Q16,Q17の飽和電流IsをそれぞれIs15,Is16,Is17とする。
Hereinafter, the operation of the band gap reference type
As for the bipolar transistor to be used, the following equation holds as in the above equation (1).
Ic = Is · exp (VBE / VT)
Where Is is a saturation current, VBE is a base-emitter voltage, VT is kT / q, k is a Boltzmann constant, q is an elementary charge, and T is an absolute temperature. The base-emitter voltages of the transistors Q15, Q16, Q17 are VBE15, VBE16, VBE17, respectively, and the saturation currents Is of Q15, Q16, Q17 are Is15, Is16, Is17, respectively.
また、同一トランジスタでペア性が取れていればIsはエミッタ面積に比例するので、
VBE15=VBE17から Is15=Is17
さらに、トランジスタQ16のエミッタ面積はトランジスタQ17のエミッタ面積のN倍なので、Is16=N・Is17 となる。
Also, if the same transistor is paired, Is is proportional to the emitter area.
From VBE15 = VBE17 Is15 = Is17
Further, since the emitter area of the transistor Q16 is N times the emitter area of the transistor Q17, Is16 = N · Is17.
VBE17=VBE16+I2・R11
∴ VBE17−VBE16=I2・R11
VBE17−VBE16=Vt・ln (I1/Is17)−VT・ln (I2/Is16)
=VT・ln (I1・Is16)/(I2・Is17) ……(8)
VBE17=VBE15 と仮定すると
I1・R12=I2・R13 ……(9)
上の式(8)と(9)から
I2=(VBE17−VBE16)/R11=VT/R11・ln (I1・Is16)/(I2・Is17)
=VT/R11・ln(R13・Is16)/(R12・Is17) ……(10)
Vref=I2・R13+VBE15=R13/R11・VT・ln (R13・Is16)/(R12・Is17)+VBE15
となる。ここで
VT=k・T/q ( k:ボルツマン定数 q:素電荷 )
なので、VTは温度に対して正の傾きを持つ。
VBE17 = VBE16 + I2 ・ R11
∴ VBE17−VBE16 = I2 ・ R11
VBE17−VBE16 = Vt · ln (I1 / Is17) −VT · ln (I2 / Is16)
= VT ・ ln (I1 ・ Is16) / (I2 ・ Is17) ...... (8)
Assuming VBE17 = VBE15 I1 ・ R12 = I2 ・ R13 ...... (9)
From the above formulas (8) and (9), I2 = (VBE17-VBE16) / R11 = VT / R11 · ln (I1 · Is16) / (I2 · Is17)
= VT / R11 ・ ln (R13 ・ Is16) / (R12 ・ Is17) …… (10)
Vref = I2 · R13 + VBE15 = R13 / R11 · VT · ln (R13 · Is16) / (R12 · Is17) + VBE15
It becomes. here
VT = k ・ T / q (k: Boltzmann constant q: elementary charge)
So VT has a positive slope with respect to temperature.
また、VBE15は温度に対して負の傾きを持つことは一般的に知られている。従って、VTの項を調整することで温度に対して一定の電圧を得ることが可能である。 It is generally known that VBE15 has a negative slope with respect to temperature. Therefore, it is possible to obtain a constant voltage with respect to temperature by adjusting the VT term.
図5は上記レベルシフト回路104(又は105)の一実施例を示す回路図である。レベルシフト回路104は、電源VccとグランドGND間に、PNP形トランジスタQのコレクタ・エミッタと、抵抗Rと、定電流源Iとを直列に接続した構成となっている。前段の反転増幅回路102からの出力電圧をトランジスタQのベースに入力すると、抵抗Rと定電流源Iの接続点からは電圧I×Rだけレベルシフトされた電圧が出力され、次段のエミッタフォロア106のトランジスタQ1のベースに供給されることになる。
FIG. 5 is a circuit diagram showing an embodiment of the level shift circuit 104 (or 105). The
図6(a)〜(c)は上記の2つのエミッタフォロア106,107で構成される重畳出力回路110の動作を説明する図である。図6(a)のような、レベルシフト回路104からのレベルシフトされ且つ温度Tに対して負の傾き(負の温度係数)を持った出力電圧と、レベルシフト回路105からのレベルシフトされ且つ温度Tに対して正の傾き(正の温度係数)を持った出力電圧とが、図6(b)に示すように重畳出力回路110で重ね合わされ、いずれか高い方の電圧にクランプされる結果、図6(c) のように温度Tについて低温度側と高温度側とで電圧が高くなるV字状の特性をもった出力電圧が生成される。
6A to 6C are diagrams for explaining the operation of the superimposed
本発明の実施形態1によれば、VCSELのような面発光型のレーザダイオードを使用した光半導体発光素子駆動回路であっても、バイアス電流Ibiasを閾値電流Ithの温度特性に追従させることができるので、閾値電流の変化に基づく消光比特性の変動を抑えることができる。 According to the first embodiment of the present invention, the bias current Ibias can be made to follow the temperature characteristic of the threshold current Ith even in an optical semiconductor light emitting element driving circuit using a surface emitting laser diode such as a VCSEL. Therefore, it is possible to suppress the fluctuation of the extinction ratio characteristic based on the change of the threshold current.
なお、図6(c)では、1つの変曲点がある閾値電流の温度特性のレーザダイオードに対して、それらの閾値電流に追従した温度特性のバイアス電流を生成する場合について説明しているが、本発明は実施形態2,3に示すように複数の変曲点がある閾値電流の温度特性をもったレーザダイオードに対してその閾値電流に追従した温度特性のバイアス電流を生成する場合に応用することができる。 FIG. 6C illustrates a case where a bias current having a temperature characteristic following the threshold current is generated for a laser diode having a temperature characteristic of a threshold current having one inflection point. The present invention is applied to a case where a bias current having a temperature characteristic following a threshold current is generated for a laser diode having a temperature characteristic of a threshold current having a plurality of inflection points as shown in the second and third embodiments. can do.
図7は、実施形態1で生成される、温度に対するバイアス電流Ibiasの温度特性cを示している。X軸は温度(℃)、Y軸は25℃での電流値を0mAとした場合の電流値(このグラフに示す電流値は、周囲温度での実際の電流値と25℃での実際の電流値との差で示してある)を示している。バイアス電流Ibiasとしては、VCSELの閾値電流の温度特性に近似した形状を得ることが可能である。 FIG. 7 shows the temperature characteristic c of the bias current Ibias with respect to the temperature generated in the first embodiment. X-axis is temperature (° C), Y-axis is current value when current value at 25 ° C is 0 mA (current values shown in this graph are actual current value at ambient temperature and actual current at 25 ° C It is indicated by the difference from the value). As the bias current Ibias, a shape approximating the temperature characteristic of the threshold current of the VCSEL can be obtained.
本発明の実施形態1によれば、1つの変曲点がある閾値電流のV字状の温度特性をもったレーザダイオードに対して、使用される全温度範囲において閾値電流付近にバイアス電流を供給できるため、温度変化によるアイパターンの劣化が少なくなり、良好な伝送特性が得られる。
また、VCSELのような低温側で室温(25℃)よりも閾値電流が大きくなり、高温側も室温(25℃)より閾値電流が大きくなる特性のレーザダイオードを使用した場合において、温度変化によるアイパターンの劣化が少なくなるため良好な伝送特性が得られる。
According to the first embodiment of the present invention, a bias current is supplied in the vicinity of the threshold current in the entire temperature range used for a laser diode having a V-shaped temperature characteristic of the threshold current having one inflection point. Therefore, eye pattern deterioration due to temperature change is reduced, and good transmission characteristics can be obtained.
Further, when a laser diode having a characteristic that the threshold current is larger than the room temperature (25 ° C.) on the low temperature side and the threshold current is larger than the room temperature (25 ° C.) on the high temperature side, such as VCSEL, Since the deterioration of the pattern is reduced, good transmission characteristics can be obtained.
さらに、温度に依存しない基準電圧源を用いることにより、これを基準として正又は負の傾きの電圧または電流を生成することができるので、安定した制御が可能となる。 Furthermore, by using a reference voltage source that does not depend on temperature, a voltage or current having a positive or negative slope can be generated with reference to this, so that stable control is possible.
さらに、トランジスタの温度特性と安定した基準電圧を利用することで、温度に対する安定した傾きを持った電圧または電流が得られる。すなわち、温度に比例する温度特性の温度係数生成回路と安定した基準電圧源を利用することで、温度に対する安定した傾きを持った電圧または電流が得られる。 Further, by using the temperature characteristics of the transistor and a stable reference voltage, a voltage or current having a stable slope with respect to temperature can be obtained. That is, by using a temperature coefficient generation circuit having a temperature characteristic proportional to temperature and a stable reference voltage source, a voltage or current having a stable gradient with respect to temperature can be obtained.
また、バイアス電流に高速変調信号を加える方式とすることで、安定した高速動作が得られる。
なお、温度係数信号生成回路としての温度係数回路101は、温度に対する電圧特性が正(又は負)の傾きを持った場合について説明しているが、温度に対する電流特性が正(又は負)の傾きを持った場合についても同様に適用することができる。
[実施形態2]
Also, a stable high speed operation can be obtained by applying a high speed modulation signal to the bias current.
Note that the
[Embodiment 2]
図11は、本発明の実施形態2による光半導体発光素子駆動回路の構成図を示している。図1と同一部分には同一符号を付して説明する。
FIG. 11 shows a configuration diagram of an optical semiconductor light emitting element driving circuit according to
図11に示す光送信モジュール100Aは、光半導体発光素子駆動回路200Aと光半導体発光素子としての面発光型レーザダイオードLD1を備えている。
An
図11において、光半導体発光素子駆動回路200Aは、光半導体発光素子である面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従したレーザダイオード駆動用のバイアス電流Ibiasを生成するバイアス電流生成回路(101〜109、112、113)と、高速に変調された電流信号(変調電流Im)を発生し、前記バイアス電流生成回路から供給されるバイアス電流Ibiasに対して印加する高速変調回路111と、を備えている。高速変調回路111は、高速に変調された電流信号(例えばパルス電流信号)を供給する電流源I4で構成され、光半導体発光素子駆動回路200Aのバイアス電流出力部の両端に接続されることは図1の場合と同様である。
In FIG. 11, an optical semiconductor light emitting element driving circuit 200A generates a bias current for generating a bias current Ibias for driving a laser diode following the temperature characteristic of the threshold current Ith of a surface emitting laser diode LD1 which is an optical semiconductor light emitting element. A circuit (101 to 109, 112, 113), and a high-
図1の構成と異なる点は、レベルシフト回路112を設けたこと、それ対応したエミッタフォロア113を設けたことである。レベルシフト回路112は、既存のレベルシフト回路104,105と共にレベルシフト手段を構成しており、またエミッタフォロア113は既存のエミッタフォロア106,107と共に重畳出力回路110Aを構成している。その他の構成は、図1と同様であるが、以下に異なる点の構成を中心として説明し、図1と重複する部分の説明を省略する。
The difference from the configuration of FIG. 1 is that a
従って、レベルシフト手段の構成は、反転増幅回路102から出力される電圧のレベルをシフトするレベルシフト回路104と、非反転増幅回路103から出力される電圧のレベルをシフトするレベルシフト回路105と、バンドギャップリファレンス型基準電圧回路で構成される基準電圧回路109から出力される温度に依存しない基準電圧のレベルをシフトするレベルシフト回路112とを備えたものである。
Therefore, the configuration of the level shift means includes a
レベルシフト回路104,105,112によってレベルシフトされた電圧はそれぞれ、重畳出力回路110Aを構成する3つのエミッタフォロワ106,107,113を通して、重ね合わせられる。
The voltages level-shifted by the
重畳出力回路110Aを構成する3つのエミッタフォロア106,107,113は、前段のレベルシフト回路104,105,112によって生成された3つの電圧を互いに重ね合わせていずれか高い方の電圧を出力する。
The three
エミッタフォロワ106は、電源VccとグランドGND間に、トランジスタQ1のコレクタ・エミッタと定電流源I1を直列接続して構成され、トランジスタQ1のベースにレベルシフト回路104の出力電圧が入力される。エミッタフォロワ107は、電源VccとグランドGND間に、トランジスタQ2のコレクタ・エミッタと定電流源I2を直列接続して構成され、トランジスタQ2のベースにレベルシフト回路105の出力電圧が入力される。エミッタフォロワ113は、電源VccとグランドGND間に、トランジスタQ3のコレクタ・エミッタと定電流源I3を直列接続して構成され、トランジスタQ3のベースにレベルシフト回路112の出力電圧が入力される。
The
そして、トランジスタQ1,Q2,Q3のエミッタは共通に接続され、その共通エミッタ出力が次段の電圧・電流変換回路108へ出力される。エミッタフォロワ106,107,113で重ね合わせられた点の電圧は高い電位の方にクランプされるので、レベルシフト回路104,105,112によって生成された電圧の高い方の電圧が重畳出力回路110Aから出力される。
The emitters of the transistors Q1, Q2, and Q3 are connected in common, and the common emitter output is output to the voltage /
なお、レベルシフト回路104,105,112はレベルシフト手段を構成している。また、重畳出力回路110Aと電圧・電流変換回路108とは、前段からの3つの出力信号が入力され、その3つの出力信号のいずれかを選択し、その信号を基にバイアス電流を生成する出力回路を構成している。
The
さらに、重畳出力回路110Aにおいて、エミッタフォロア106,107,113の定電流源I1,I2,I3は、1つの定電流源、或いは1つの抵抗に置き換えた構成としても良い。
Further, in the superimposed output circuit 110A, the constant current sources I1, I2, and I3 of the
以上の図11の構成においては、温度に依存しない安定した基準電圧を生成する一方、トランジスタの温度依存性を利用して温度係数を持った電圧を生成し反転増幅及び非反転増幅し、それらを適宜にレベルシフトすることよって、所望の負の傾きを持った電圧、所望の正の傾きを持った電圧、温度変化に対して一定(即ち温度に依存しない一定)の電圧を得る。そして、これらの電圧を重ね合わせることによって、周囲温度に対していずれか最も高い電圧が出力され、該電圧を電流に変換して面発光型のレーザダイオードのバイアス電流として使用する。バイアス電流は、結果として面発光型のレーザダイオードの閾値電流の温度特性に追従した温度特性を持った電流とされるので、周囲温度の変化によってレーザダイオードの閾値電流が変動したとしても、その変動に追従したバイアス電流を得、温度変化による消光比特性の劣化がなく、且つ温度変化によるアイパターンの劣化のない光出力を発生することができる。 In the configuration of FIG. 11 described above, a stable reference voltage that does not depend on temperature is generated, while a voltage having a temperature coefficient is generated using the temperature dependence of the transistor, and is inverted and non-inverted. By appropriately level-shifting, a voltage having a desired negative slope, a voltage having a desired positive slope, and a voltage that is constant with respect to temperature change (that is, constant independent of temperature) are obtained. Then, by superimposing these voltages, any one of the highest voltages is output with respect to the ambient temperature, and the voltage is converted into a current to be used as a bias current for the surface emitting laser diode. As a result, the bias current has a temperature characteristic that follows the temperature characteristic of the threshold current of the surface emitting laser diode. Therefore, even if the threshold current of the laser diode fluctuates due to changes in the ambient temperature, the fluctuation Thus, it is possible to generate a light output without deterioration of extinction ratio characteristics due to temperature change and without eye pattern deterioration due to temperature change.
図12(a)〜(c)は上記の3つのエミッタフォロア106,107,113で構成される重畳出力回路110Aの動作を説明する図である。図12(a)のような、レベルシフト回路104からのレベルシフトされ且つ温度Tに対して負の傾き(負の温度係数)を持った出力電圧と、レベルシフト回路105からのレベルシフトされ且つ温度Tに対して正の傾き(正の温度係数)を持った出力電圧と、基準電圧回路109からのレベルシフトされ且つ温度Tに対して依存性のない基準電圧とが、図12(b)に示すように重畳出力回路110で重ね合わされ、いずれか高い方の電圧にクランプされる結果、図12(c) のように温度Tについて低温度側と高温度側とで電圧が高くなる放物線状の特性をもった出力電圧が生成される。
FIGS. 12A to 12C are diagrams for explaining the operation of the superimposed output circuit 110A composed of the three
図13は、実施形態2にて生成される、周囲温度に対するバイアス電流Ibiasの変化特性cを示している。VCSELの閾値電流の温度特性bも示している。ただし、X軸は温度(℃)、Y軸は25℃での電流値を0mAとした場合の電流値(このグラフに示す電流値は、周囲温度での実際の電流値と25℃での実際の電流値との差で示してある)を示している。 FIG. 13 shows a change characteristic c of the bias current Ibias generated in the second embodiment with respect to the ambient temperature. The temperature characteristic b of the threshold current of the VCSEL is also shown. However, the X axis is the temperature (° C), the Y axis is the current value when the current value at 25 ° C is 0 mA (the current value shown in this graph is the actual current value at the ambient temperature and the actual value at 25 ° C It is shown by the difference with the current value of
VCSELの閾値電流の温度特性の収得点が少ないため厳密ではないが、VCSELに供給するバイアス電流Ibiasとしては、VCSELの閾値電流の温度特性bに合わせた形状が得られている。温度に対する出力電圧の傾きの違う回路を更に増やし、複数の変曲点を設けることでさらに精度良く合わせることが可能である。なお、a点は最も低い電圧点を示している。 Although it is not strict because there are few acquisition points of the temperature characteristics of the threshold current of the VCSEL, a shape matching the temperature characteristics b of the threshold current of the VCSEL is obtained as the bias current Ibias supplied to the VCSEL. By further increasing the number of circuits having different slopes of the output voltage with respect to the temperature and providing a plurality of inflection points, it is possible to perform matching more accurately. Note that point a indicates the lowest voltage point.
本発明の実施形態2によれば、少なくとも1つ以上の変曲点がある閾値電流の放物線状の温度特性をもったレーザダイオードに対して、使用される全温度範囲において閾値電流付近にバイアス電流を供給できるため、温度変化によるアイパターンの劣化が少なくなり、良好な伝送特性が得られる。
また、VCSELのような低温側で室温(25℃)よりも閾値電流が大きくなり、高温側も室温(25℃)より閾値電流が大きくなる特性のレーザダイオードを使用した場合において、温度変化によるアイパターンの劣化が少なくなるため良好な伝送特性が得られる。
According to the second embodiment of the present invention, for a laser diode having a parabolic temperature characteristic of a threshold current having at least one inflection point, a bias current in the vicinity of the threshold current in the entire temperature range to be used. Therefore, deterioration of the eye pattern due to temperature change is reduced, and good transmission characteristics can be obtained.
Further, when a laser diode having a characteristic that the threshold current is larger than the room temperature (25 ° C.) on the low temperature side and the threshold current is larger than the room temperature (25 ° C.) on the high temperature side, such as VCSEL, Since the deterioration of the pattern is reduced, good transmission characteristics can be obtained.
さらに、温度に依存しない基準電圧源を用いることにより、これを基準として正又は負の傾きの電圧または電流を生成することができるので、安定した制御が可能となる。 Furthermore, by using a reference voltage source that does not depend on temperature, a voltage or current having a positive or negative slope can be generated with reference to this, so that stable control is possible.
さらに、トランジスタの温度特性と安定した基準電圧を利用することで、温度に対する安定した傾きを持った電圧または電流が得られる。すなわち、温度に比例する温度特性の温度係数信号生成回路と安定した基準電圧源を利用することで、温度に対する安定した傾きを持った電圧または電流が得られる。 Further, by using the temperature characteristics of the transistor and a stable reference voltage, a voltage or current having a stable slope with respect to temperature can be obtained. That is, by using a temperature coefficient signal generation circuit having a temperature characteristic proportional to temperature and a stable reference voltage source, a voltage or current having a stable slope with respect to temperature can be obtained.
また、バイアス電流に高速変調信号を加える方式とすることで、安定した高速動作が得られる。
なお、温度係数信号生成回路としての温度係数回路101は、温度に対する電圧特性が正(又は負)の傾きを持った場合について説明しているが、温度に対する電流特性が正(又は負)の傾きを持った場合についても同様に適用することができる。
[実施形態3]
Also, a stable high speed operation can be obtained by applying a high speed modulation signal to the bias current.
Note that the
[Embodiment 3]
図14は本発明の実施形態3の光半導体発光素子駆動回路の構成図を示している。図14は、光半導体発光素子駆動回路200Bとこれによって駆動される光半導体発光素子としての面発光型のレーザダイオードLD11を有した光送信モジュール100Bの構成例を示している。
FIG. 14 shows a configuration diagram of an optical semiconductor light emitting element driving circuit according to
図14において、光半導体発光素子駆動回路200Bは、光半導体発光素子である面発光型のレーザダイオードLD11の閾値電流Ithの温度特性に追従したレーザダイオード駆動用のバイアス電流Ibiasを生成するバイアス電流生成回路(202,203,209,214〜222)と、高速に変調された電流信号(変調電流Im)を発生し、前記バイアス電流生成回路から供給されるバイアス電流Ibiasに対して印加する高速変調回路223と、を備えている。高速変調回路223は、高速に変調された電流信号(例えばパルス電流信号)を供給する電流源I15で構成され、光半導体発光素子駆動回路200Bのバイアス電流出力部の両端に接続されることは図1,図2の場合と同様である。
In FIG. 14, the optical semiconductor light emitting element driving circuit 200B generates a bias current for generating a bias current Ibias for driving the laser diode following the temperature characteristic of the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD11 which is an optical semiconductor light emitting element. Circuit (202, 203, 209, 214 to 222) and a high-speed modulation circuit for generating a current signal (modulation current Im) modulated at high speed and applying it to the bias current Ibias supplied from the bias
バイアス電流生成回路(202,203,209,214〜222)は、温度に依存しない安定した電圧を生成するバンドギャップリファレンス型の基準電圧回路209と、バンドギャップリファレンス型の基準電圧回路209の電圧レベルを高い電圧の方向にシフトさせて傾斜の緩やかな負の温度係数を持せた電圧を得る第1の温度係数回路214と、バンドギャップリファレンス型の基準電圧回路209からの電圧を用いて、負の温度傾き(負の温度係数)を持った電圧を得る第2の温度係数回路215と、複数の抵抗分圧回路で構成され、第1の温度係数回路214で生成した電圧を抵抗で分圧して複数の所望の電圧レベルを得る分圧回路216と、第2の温度係数回路215で生成した電圧と分圧回路216で分圧して得られた1つの電圧とを入力し、反転増幅する第2の温度係数回路215の出力部としての反転増幅回路217と、反転増幅回路217から出力した電圧と分圧回路216で分圧して得られた1つの電圧とを入力し、反転増幅する第1の増幅回路としての反転増幅回路202と、反転増幅回路217から出力した電圧と分圧回路216で分圧して得られた1つの電圧とを入力し、反転増幅する反転増幅回路218と当該反転増幅回路218から出力した電圧と分圧回路216で分圧して得られた1つの電圧とを入力し、反転増幅する反転増幅回路203とで構成され、反転増幅回路218及び反転増幅回路203によって非反転増幅する第2の増幅回路として機能する反転増幅回路218,203と、反転増幅回路217から出力した電圧と分圧回路216で分圧して得られた1つの電圧とを入力し、反転増幅する第3の増幅回路としての反転増幅回路219と、エミッタフォロワで構成され、前記反転増幅回路202,203,219で増幅した電圧を互いに重ね合わせていずれか高い方の電圧を生成する重畳出力回路220と、重畳出力回路220で生成された電圧を電流に変換する電圧・電流変換回路221と、電圧・電流変換回路221で生成された電流をバイアス電流としてレーザダイオードLD11に供給するためのカレントミラー回路222と、を備えている。各回路ブロック202,203,209,214〜222は電源VccとグランドGND間に接続されている。
The bias current generation circuits (202, 203, 209, 214 to 222) are voltage levels of a band gap reference type
なお、第1の温度係数回路214と第2の温度係数回路215と基準電圧回路209と反転増幅回路217とは、周囲温度に対して正の傾き又は負の傾きを持つ電圧又は電流を生成する温度係数信号生成回路を構成している。また、分圧回路216は、複数の抵抗分圧回路で構成され、前記温度係数信号生成回路から得られる信号を前記複数の抵抗分圧回路に入力し、第1,第2,第3の増幅回路のそれぞれに出力する信号のレベルをシフトさせるレベルシフト手段を構成している。さらに、重畳出力回路220と電圧・電流変換回路221とカレントミラー回路222とは、前段からの3つの出力信号が入力され、その3つの出力信号のいずれかを選択し、その信号を基にバイアス電流を生成する出力回路を構成している。
Note that the first
第1の温度係数回路214は基準電圧回路209と比較すると温度に対して負の温度係数を持っている。しかし、第2の温度係数回路215よりも傾きは小さい。
The first
分圧回路216は複数の抵抗分圧回路で構成されており、第1の温度係数回路214で生成した電圧を分圧して複数の分割電圧を生成するものである。これは実施形態1,2のレベルシフト手段に相当するものである。分圧回路216によって得られた複数の分割電圧は反転増幅回路202,203,217,218,219の各プラス端子へ基準電圧として入力される。
The
分圧回路216は、例えば5つの抵抗分圧回路を並列接続した構成となっている。即ち、第1の温度係数回路214で生成された電圧の出力ラインとグランドGND間に、抵抗R21と抵抗R22による第1の抵抗分圧回路と、抵抗R43と抵抗R44による第2の抵抗分圧回路と、抵抗R25と抵抗R26による第3の抵抗分圧回路と、抵抗R31と抵抗R32による第4の抵抗分圧回路と、抵抗R29と抵抗R30による第5の抵抗分圧回路と、を並列接続した構成となっている。
The
上記バンドギャップリファレンス型の基準電圧回路209は、図4に示した回路構成と同様のものを用いることができるので、説明を省略する。
The band gap reference type
上記第1の温度係数回路214の回路例を、図15に示している。第1の温度係数回路214はトランジスタのベース・エミッタ間電圧VBEが負の温度係数を有していることを利用して負の温度係数を持った電圧を生成している。
A circuit example of the first
図15において、第1の温度係数回路214は、バンドギャップリファレンス型基準電圧電圧回路209から供給される基準電圧VBGの電源端子とグランドGND間に、抵抗R53と、トランジスタQ41のコレクタ・エミッタと、抵抗R52とを直列に接続し、かつトランジスタQ41のコレクタとベースを共通に接続し、そのベースとグランドGND間に、抵抗R51を接続した回路と、オペアンプU21を有し、そのプラス端子に前記トランジスタQ41のベース電圧V1を入力し、マイナス端子と出力端子を共通接続してなるボルテージフォロアと、を備えている。
In FIG. 15, the first
以下に、第2の温度係数回路215の動作を数式を用いて説明する。
抵抗R53に流れる電流をI3とすると、
V1=VBG−R53・I3 ……(11)
I3=V1/R51+(V1−VBE)/R52 ……(12)
式(11)と式(12)から
V1=A+B・VBE
が得られる。従って、V1は温度に対して負の傾きを持つ。
Hereinafter, the operation of the second
If the current flowing through the resistor R53 is I3,
V1 = VBG−R53 ・ I3 (11)
I3 = V1 / R51 + (V1-VBE) / R52 (12)
From equation (11) and equation (12) V1 = A + B · VBE
Is obtained. Therefore, V1 has a negative slope with respect to temperature.
ここで
A=VBG/(1+R53/R51+R53/R52) ・・・温度に対して一定
B=(R53/R52)/(1+R53/R51+R53/R52)
である。
Where A = VBG / (1 + R53 / R51 + R53 / R52) ... constant with temperature B = (R53 / R52) / (1 + R53 / R51 + R53 / R52)
It is.
上記第2の温度係数回路215の回路例を図16に示している。第2の温度係数回路215はトランジスタのベース・エミッタ間電圧VBEが負の温度係数を有していることを利用して負の温度係数を持った電圧を生成している。
A circuit example of the second
図16において、第2の温度係数回路215は、バンドギャップリファレンス型の基準電圧回路209から供給される基準電圧VBGの電源端子とグランドGND間に、抵抗R62と、トランジスタQ51のコレクタ・エミッタと、抵抗R63とを直列に接続し、かつトランジスタQ51のコレクタとベースを共通に接続し、そのベースとグランドGND間に、抵抗R61を接続した構成となっている。トランジスタQ51のベース(=コレクタ)に発生する電圧は抵抗R63に発生する電圧とQ51のベース・エミッタ間電圧VBEの電圧の和である。従って、トランジスタQ51のコレクタ電圧Voutの温度特性はVBEの温度特性に比例するので負の傾きとなる。なお、VBGはバンドギャップリファレンス型の基準電圧回路209から得られる、温度に対して一定(即ち温度に依存しない一定)の電圧である。
In FIG. 16, the second
上記第2の温度係数回路215の他の回路例を図17に示している。第2の温度係数回路215はトランジスタのベース・エミッタ間電圧VBEが負の温度係数を有していることを利用して負の温度係数を持った電圧を生成している。
Another circuit example of the second
図17において、第2の温度係数回路215は、バンドギャップリファレンス型の基準電圧回路209から供給される基準電圧VBGの電源端子とグランドGND間に、抵抗R71と抵抗R72を直列接続し、電源Vccと前記抵抗R71,R72の直列接続点との間に定電流源I12とNPN形トランジスタQ61のコレクタ・エミッタとを直列に接続し、かつトランジスタQ61のコレクタとベースを共通接続してなる回路と、オペアンプU22を有し、そのプラス端子に前記トランジスタQ61のベース電圧を入力し、マイナス端子と出力端子を共通接続してなるボルテージフォロアと、を備えている。
In FIG. 17, the second
このような図17の構成において、定電流源I12の電流I12は温度に対して、一定の電流であり、VBGはバンドギャップ基準電圧である。従って、バンドギャップ基準電圧VBGを抵抗R71,R72で分圧して得られる電圧V2は温度に対して一定の電圧である。トランジスタQ61のベース・エミッタ間電圧VBEは温度に対して負の傾きを持つので、出力電圧Voutに負の傾きを持った電圧を得ることができる。 In such a configuration of FIG. 17, the current I12 of the constant current source I12 is a constant current with respect to temperature, and VBG is a band gap reference voltage. Accordingly, the voltage V2 obtained by dividing the band gap reference voltage VBG by the resistors R71 and R72 is a constant voltage with respect to the temperature. Since the base-emitter voltage VBE of the transistor Q61 has a negative slope with respect to temperature, a voltage having a negative slope with respect to the output voltage Vout can be obtained.
図14に戻り、次に反転増幅回路202,203,217,218,219の構成を説明する。
反転増幅回路217は、オペアンプU11と抵抗R23,R24を備え、プラス端子に前記第1の抵抗分圧回路からの分割電圧が入力しマイナス端子に抵抗R23を介して第2の温度係数回路215からの電圧を入力し、マイナス端子と出力端子間に抵抗R24を接続している。抵抗R23と抵抗R24の比によって、増幅率を設定することができる。
Returning to FIG. 14, the configuration of the inverting
The inverting
反転増幅回路202は、オペアンプU14と抵抗R33,R34を備え、プラス端子に前記第5の抵抗分圧回路からの分割電圧が入力しマイナス端子に抵抗R33を介して前記反転増幅回路217からの電圧を入力し、マイナス端子と出力端子間に抵抗R34を接続している。抵抗R33と抵抗R34の比によって増幅率を設定でき、R33<R34となるように設定される。反転増幅回路202では、反転増幅回路217からの正の傾きを持った反転出力を入力し、温度に対する負の傾きを持った電圧を出力することができる。
反転増幅回路218は、オペアンプU17と抵抗R45,R46を備え、プラス端子に前記第2の抵抗分圧回路からの分割電圧が入力しマイナス端子に抵抗R45を介して前記反転増幅回路217からの電圧を入力し、マイナス端子と出力端子間に抵抗R46を接続している。抵抗R45と抵抗R46の比によって、増幅率を設定することができる。
The inverting
The inverting
反転増幅回路203は、オペアンプU15と抵抗R37,R38を備え、プラス端子に前記第3の抵抗分圧回路からの分割電圧が入力しマイナス端子に抵抗R37を介して前記反転増幅回路218からの電圧を入力し、マイナス端子と出力端子間に抵抗R38を接続している。抵抗R37と抵抗R38の比によって増幅率を設定でき、R37<R38となるように設定される。反転増幅回路203では、反転増幅回路217からの正の傾きを持った反転出力をさらに前段の反転増幅回路218で反転増幅した出力を入力し、温度に対する正の傾きを持った電圧を出力することができる。
反転増幅回路219は、オペアンプU13と抵抗R41,R42を備え、プラス端子に前記第4の抵抗分圧回路からの分割電圧が入力しマイナス端子に抵抗R41を介して前記反転増幅回路217からの電圧を入力し、マイナス端子と出力端子間に抵抗R42を接続している。抵抗R41と抵抗R42の比によって増幅率を設定でき、R41≒R42となるように設定される。反転増幅回路219では、反転増幅回路217からの正の傾きを持った反転出力を入力し、温度に対する略ゼロの傾きを持った電圧を出力することができる。
The inverting
The inverting
第2の温度係数回路215で生成された電圧は反転増幅回路217で反転増幅される。従って、反転増幅回路217からの出力電圧は温度に対して正の傾きを持つ。反転増幅回路217で生成した電圧は反転増幅回路202,218,219のマイナス端子に入力される。反転増幅回路202は、実施形態1,2の反転増幅回路102で説明したように所望の負の温度傾き(負の温度係数)を持った電圧を生成する。また、反転増幅回路219では、出力電圧の温度傾きが周囲温度に対して一定となるように調整される。
The voltage generated by the second
反転増幅回路218は、正の温度傾き(正の温度係数)を持つ電圧を生成する反転増幅回路203のバッファー的な役割を担っている。つまり、第2の温度係数回路215の出力電圧を反転増幅回路203で直接反転増幅すると反転増幅回路203の出力電圧のレベルが反転増幅回路202,219の出力電圧のレベルとかけ離れてしまい、エミッタフォロワで構成される重畳出力回路220の出力後の電圧が所望の値と違ってしまう可能性がある。このために反転増幅回路218で傾きをある程度増幅して、反転増幅回路203のの反転増幅のレベル調整を行い易いものとしている。
The inverting
反転増幅回路203は先の実施形態1,2の非反転増幅回路103に述べたのと同様に、正の温度傾きをもった電圧を生成する増幅器であり、所望の正の温度傾き(正の温度係数)をもった電圧を生成する。
The inverting
重畳出力回路220は、電源VccとグランドGND間に、コレクタが共通接続され且つエミッタが共通接続された3つのトランジスタQ21,Q22,Q23と、その共通エミッタとグランドGND間に接続された定電流源I12とを備え、反転増幅回路202の出力電圧をトランジスタQ21のベースに入力し、反転増幅回路219の出力電圧をトランジスタQ22のベースに入力し、反転増幅回路203の出力電圧をトランジスタQ23のベースに入力し、共通エミッタから出力電圧を得る構成となっている。
The
反転増幅回路202,219,203で生成された電圧を重畳出力回路220にて重ね合わせると、3つの電圧の中で最も高い電圧がクランプされて重畳出力回路220から出力される。
When the voltages generated by the inverting
電圧・電流変換回路221は、トランジスタQ29,オペアンプU18,定電流源I13,I14,トランジスタQ28,Q31,抵抗R47,R48で構成される電圧・電流変換部と、トランジスタQ30,Q24で構成されるカレントミラー部とを備えている。即ち、電圧・電流変換回路221は、一端が電源Vccに接続された定電流源I13,I14と、エミッタが定電流源I13に接続され、コレクタがグランドGNDに接続され、ベースに前段の共通エミッタの出力電圧が入力されるPNP形トランジスタQ29と、エミッタが定電流源I14に接続され、コレクタがグランドGNDに接続されたPNP形トランジスタQ28と、プラス端子に前記トランジスタQ29のエミッタが接続され、マイナス端子に前記トランジスタQ28のエミッタが接続されたオペアンプU18と、2つのPNP形トランジスタQ30,Q24を備え、これらのトランジスタQ30,Q24は、電源Vccにエミッタが共通に接続され且つベースが共通に接続されており、かつトランジスタQ30のベース・コレクタが共通に接続され、トランジスタQ30,Q24の各コレクタに同じ大きさの電流を出力するカレントミラー部と、コレクタが前記トランジスタQ30のコレクタに接続され、エミッタが抵抗R47を介してグランドGNDに接続されたNPN形トランジスタQ31と、一端が前記トランジスタQ24のコレクタに接続され、他端がグランドGNDに接続された抵抗R48と、を備えている。
The voltage /
カレントミラー回路222は、ベースが前段のトランジスタQ24,Q30のベースと共通接続され、エミッタが電源Vccに接続されたPNP形トランジスタQ25と、コレクタとベースが共通に接続され、かつコレクタが前記トランジスタQ25のコレクタに接続され、エミッタがグランドGNDに接続されたNPN形トランジスタQ26と、ベースが前記トランジスタQ26のベースと共通に接続され、エミッタがグランドGNDに接続され、コレクタがレーザダイオードLD11の−極の一端に接続されたNPN形トランジスタQ27と、を備えている。トランジスタQ26とトランジスタQ27とは、カレントミラーを構成している。電源Vccと前記トランジスタQ27のコレクタ間には、負荷としてのレーザダイオードLD11が接続されている。 The current mirror circuit 222 has a base connected in common to the bases of the previous transistors Q24 and Q30, an emitter connected to the power source Vcc, a collector and a base connected in common, and a collector connected to the transistor Q25. NPN transistor Q26 having an emitter connected to ground GND, a base connected in common to the base of transistor Q26, an emitter connected to ground GND, and a collector connected to the negative electrode of laser diode LD11. And an NPN transistor Q27 connected to one end. Transistor Q26 and transistor Q27 form a current mirror. A laser diode LD11 as a load is connected between the power source Vcc and the collector of the transistor Q27.
電圧・電流変換回路221で、トランジスタQ29は電圧レベルをベース・エミッタ間電圧VBE分上げるために挿入されている。これはオペアンプU18の入力電圧が低いときにオペアンプU18が動作しないことを防ぐためのものである。オペアンプU18,トランジスタQ31,及び抵抗R47で生成された電流はトランジスタQ30でミラーされ、トランジスタQ24に同じ大きさの電流が流れる。トランジスタQ24に流れる電流を抵抗R48で電圧に変換し、その電圧をトランジスタQ28のベースに入力することでオペアンプU18のマイナス端子への帰還ループが形成されている。トランジスタQ28はベース電圧によって抵抗値が変わる可変抵抗として機能する。これによって、オペアンプU18のマイナス端子の電圧がプラス端子に入力された電圧と同じになるように抵抗R48に流れる電流が制御される。
In the voltage /
そして、トランジスタQ30のミラー電流をトランジスタQ25,Q27のカレントミラーで折り返すことでレーザダイオードLD11にバイアス電流を供給する。このバイアス電流はレーザダイオードLD11の閾値電流の温度特性に追従したものとされている。 A bias current is supplied to the laser diode LD11 by turning back the mirror current of the transistor Q30 by the current mirrors of the transistors Q25 and Q27. This bias current follows the temperature characteristic of the threshold current of the laser diode LD11.
LD11は 面発光型のレーザダイオードであって、例えばVCSEL(垂直表面発光型レーザ)で構成されている。レーザダイオードLD11の一端は電源Vccに接続し、他端はトランジスタQ27の一端に接続している。カレントミラー回路222のバイアス電流出力部のトランジスタQ27の両端には、高速に変調された電流信号(変調電流)を供給する高速変調回路223が並列に接続されている。高速変調回路223は、例えば変調されたパルス電流を供給する電流源I15で構成されている。
The
以上の図14の構成においては、温度に依存しない安定した電圧を生成する基準電圧回路の電圧に基づいて温度係数を持った電圧を作成し且つそれらを適宜にレベルシフトすることよって、所望の負の傾きを持った電圧、所望の正の傾きを持った電圧、温度変化に対して一定(即ち温度に依存しない一定)の電圧を得る。そして、これらの電圧を重ね合わせることによって、周囲温度に対していずか最も高い電圧が出力され、該電圧を電流に変換して面発光型のレーザダイオードのバイアス電流として使用する。バイアス電流は、結果として面発光型のレーザダイオードの閾値電流の温度特性に追従した電流とされるので、周囲温度の変化によってレーザダイオードの閾値電流が変動したとしても、その変動に追従したバイアス電流を得て、温度変化による消光比特性の劣化がなく、且つ温度変化によるアイパターンの劣化のない光出力を発生することができる。 In the configuration of FIG. 14 described above, a voltage having a temperature coefficient is created based on the voltage of the reference voltage circuit that generates a stable voltage that does not depend on the temperature, and a level shift is appropriately performed to thereby generate a desired negative voltage. , A voltage having a desired positive slope, and a voltage that is constant (that is, constant independent of temperature) with respect to a temperature change. Then, by superimposing these voltages, the highest voltage is output with respect to the ambient temperature, and the voltage is converted into a current, which is used as a bias current for the surface emitting laser diode. As a result, the bias current is a current that follows the temperature characteristics of the threshold current of the surface emitting laser diode. Therefore, even if the threshold current of the laser diode fluctuates due to changes in the ambient temperature, the bias current that follows the fluctuation As a result, it is possible to generate a light output without deterioration of the extinction ratio characteristic due to temperature change and without eye pattern deterioration due to temperature change.
図18(a)〜(c)は上記のエミッタフォロアで構成される重畳出力回路220の動作を説明する図である。図18(a)のような、反転増幅回路202からのレベルシフトされ且つ温度Tに対して負の傾き(負の温度係数)を持った出力電圧と、反転増幅回路203からのレベルシフトされ且つ温度Tに対して正の傾き(正の温度係数)を持った出力電圧と、反転増幅回路219からのレベルシフトされ且つ温度Tに対して依存性のない一定電圧とが、図18(b)に示すように重畳出力回路220で重ね合わされて、いずれかの最も高い方の電圧にクランプされる結果、図18(c) のように温度Tについて低温度側と高温度側とで電圧が高くなる放物線状の特性をもった出力電圧が生成される。
FIGS. 18A to 18C are diagrams for explaining the operation of the superimposed
図19は、実施形態3で生成される、温度に対するバイアス電流Ibiasの温度特性cを示している。X軸は温度(℃)、Y軸は25℃での電流値を0mAとした場合の電流値(このグラフに示す電流値は、周囲温度での実際の電流値と25℃での実際の電流値との差で示してある)を示している。バイアス電流Ibiasとしては、VCSELの閾値電流の温度特性に追従した形状を得ることが可能である。温度に対する出力電圧の傾きの違う回路を更に増やし、複数の変曲点を設けることでさらに精度良く合わせることが可能である。 FIG. 19 shows the temperature characteristic c of the bias current Ibias with respect to temperature, generated in the third embodiment. X-axis is temperature (° C), Y-axis is current value when current value at 25 ° C is 0 mA (current values shown in this graph are actual current value at ambient temperature and actual current at 25 ° C It is indicated by the difference from the value). As the bias current Ibias, it is possible to obtain a shape that follows the temperature characteristics of the threshold current of the VCSEL. By further increasing the number of circuits having different slopes of the output voltage with respect to the temperature and providing a plurality of inflection points, it is possible to perform matching more accurately.
本発明の実施形態3によれば、レベルシフト手段を複数の抵抗分圧回路で構成したことにより、温度特性のレベルを調整し易いという効果が得られる。何故なら、集積回路化する際に、分圧回路216のような2つの抵抗の大きさの比が同じであれば抵抗値そのものはにばらつきがあってもよいので、複数の抵抗分圧回路を同一の半導体ウエハの同じところに作成すれば、2つの抵抗値の比を調整することは比較的に容易にできるためである。 少なくとも1つ以上の変曲点がある閾値電流の放物線状の温度特性をもったレーザダイオードに対して、使用される全温度範囲において閾値電流付近にバイアス電流を供給できるため、温度変化によるアイパターンの劣化が少なくなり、良好な伝送特性が得られる。
また、VCSELのような低温側で室温(25℃)よりも閾値電流が大きくなり、高温側も室温(25℃)より閾値電流が大きくなる特性のレーザダイオードを使用した場合において、温度変化によるアイパターンの劣化が少なくなるため良好な伝送特性が得られる。
According to the third embodiment of the present invention, since the level shift means is constituted by a plurality of resistance voltage dividing circuits, an effect of easily adjusting the level of the temperature characteristic can be obtained. This is because, when an integrated circuit is formed, the resistance value itself may vary if the ratio of the magnitudes of two resistors such as the
Further, when a laser diode having a characteristic that the threshold current is larger than the room temperature (25 ° C.) on the low temperature side and the threshold current is larger than the room temperature (25 ° C.) on the high temperature side, such as VCSEL, Since the deterioration of the pattern is reduced, good transmission characteristics can be obtained.
さらに、温度に依存しない基準電圧源を用いることにより、これを基準として正又は負の傾きの電圧または電流を生成することができるので、安定した制御が可能となる。
さらに、トランジスタの温度特性と安定した基準電圧を利用することで、温度に対する安定した傾きを持った電圧または電流が得られる。すなわち、温度に比例する温度特性の温度係数信号生成回路と安定した基準電圧源を利用することで、温度に対する安定した傾きを持った電圧または電流が得られる。
また、バイアス電流に高速変調信号を加える方式とすることで、安定した高速動作が得られる。
Furthermore, by using a reference voltage source that does not depend on temperature, a voltage or current having a positive or negative slope can be generated with reference to this, so that stable control is possible.
Further, by using the temperature characteristics of the transistor and a stable reference voltage, a voltage or current having a stable slope with respect to temperature can be obtained. That is, by using a temperature coefficient signal generation circuit having a temperature characteristic proportional to temperature and a stable reference voltage source, a voltage or current having a stable slope with respect to temperature can be obtained.
Also, a stable high speed operation can be obtained by applying a high speed modulation signal to the bias current.
次に、前記の図8で説明したが、レーザダイオードLD1に供給するバイアス電流Ibiasとして、バイアス電流Ibiasは温度特性を持たない一定電流とし、レーザダイオードLD1に供給する変調電流Imとして、面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従した変調電流Imを生成するように構成した場合の実施形態について、実施形態4〜6で説明する。
Next, as described with reference to FIG. 8, as the bias current Ibias supplied to the laser diode LD1, the bias current Ibias is a constant current having no temperature characteristics, and the modulation current Im supplied to the laser diode LD1 is a surface emitting type.
すなわち、実施形態4〜6は、光半導体発光素子駆動回路は、周囲温度に依存せず常にほぼ一定の定電流をバイアス電流Ibias として生成するバイアス電流生成回路と、面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従したレーザダイオード駆動用の高速変調信号(変調電流Im)を発生し、この高速変調信号(変調電流Im)を前記バイアス電流生成回路から供給されるバイアス電流Ibiasに対して印加する高速変調回路と、を備えた構成としたものである。バイアス電流Ibiasとしては、室温(25℃)における面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithに相当する定電流とすれば良い。
[実施形態4]
That is, in the fourth to sixth embodiments, the optical semiconductor light emitting element driving circuit includes a bias current generating circuit that always generates a substantially constant current as the bias current Ibias without depending on the ambient temperature, and a surface emitting laser diode LD1. A high-speed modulation signal (modulation current Im) for driving a laser diode following the temperature characteristic of the threshold current Ith is generated, and this high-speed modulation signal (modulation current Im) is applied to the bias current Ibias supplied from the bias current generation circuit. And a high-speed modulation circuit to be applied. The bias current Ibias may be a constant current corresponding to the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD1 at room temperature (25 ° C.).
[Embodiment 4]
図20は本発明の実施形態4の光半導体発光素子駆動回路の構成図を示している。実施形態4は、図1の実施形態1に対応するものであり、図1と同一機能を有する同一部分には同一符号を付して説明する。
図20は、光半導体発光素子駆動回路200Cとこれによって駆動される光半導体発光素子としての面発光型のレーザダイオードLD1を有した光送信モジュール100Cの構成例を示している。
FIG. 20 shows a configuration diagram of an optical semiconductor light emitting element driving circuit according to
FIG. 20 shows a configuration example of an optical transmission module 100C having an optical semiconductor light emitting
図20で、図1の構成と異なる点は、レーザダイオードLD1と電圧・電流変換回路108Aとの間における、電圧・電流変換回路108AのトランジスタQ4のコレクタに直列に、外部のデータ信号発生回路(図示せず)で生成したデータ信号(‘1’,‘0’のデジタル信号に対応したパルス信号)によってオン,オフするスイッチ回路S1を介挿することにより、面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従したレーザダイオード駆動用の高速に変調された電流信号(変調電流Im)を発生する高速変調回路(101〜107、108A、109)を構成する一方、周囲温度に依存せず常にほぼ一定の定電流をバイアス電流Ibias として生成するバイアス電流生成回路111Aを構成したものである。バイアス電流生成回路111Aは、周囲温度に依存しない温度特性の定電流源I4Aで構成されている。
20 differs from the configuration of FIG. 1 in that an external data signal generating circuit (in series with the collector of the transistor Q4 of the voltage /
図20においては、周囲温度の変化に対応して、データ信号としてのパルス電流(変調電流)の振幅が面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従して変化するので、このパルス電流(変調電流)に適宜の一定のバイアス電流Ibiasを印加することにより、図1と同様な作用・効果を得ることができる。即ち、使用する面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性が1つの変曲点を有するV字状若しくはこれに近い放物線状の特性である場合に、これに対応してレーザダイオード駆動電流の温度特性を追従させることができる。
[実施形態5]
In FIG. 20, the amplitude of the pulse current (modulation current) as the data signal changes following the temperature characteristics of the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD1 in response to the change in the ambient temperature. By applying an appropriate constant bias current Ibias to the pulse current (modulation current), the same operation and effect as in FIG. 1 can be obtained. That is, when the temperature characteristic of the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD1 used is a V-shaped characteristic having one inflection point or a parabolic characteristic close thereto, the laser diode is driven accordingly. The temperature characteristic of the current can be followed.
[Embodiment 5]
図21は本発明の実施形態5の光半導体発光素子駆動回路の構成図を示している。実施形態5は、図11の実施形態2に対応するものであり、図11と同一機能を有する同一部分には同一符号を付して説明する。
図21は、光半導体発光素子駆動回路200Dとこれによって駆動される光半導体発光素子としての面発光型のレーザダイオードLD1を有した光送信モジュール100Dの構成例を示している。
FIG. 21 shows a configuration diagram of an optical semiconductor light emitting element driving circuit according to Embodiment 5 of the present invention. The fifth embodiment corresponds to the second embodiment of FIG. 11, and the same portions having the same functions as those of FIG.
FIG. 21 shows a configuration example of an optical transmission module 100D having an optical semiconductor light emitting element driving circuit 200D and a surface emitting laser diode LD1 as an optical semiconductor light emitting element driven thereby.
図21で、図11の構成と異なる点は、レーザダイオードLD1と電圧・電流変換回路108Aとの間における、電圧・電流変換回路108AのトランジスタQ4のコレクタに直列に、外部のデータ信号発生回路(図示せず)で生成したデータ信号(‘1’,‘0’のデジタル信号に対応したパルス信号)によってオン,オフするスイッチ回路S1を介挿することにより、面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従したレーザダイオード駆動用の高速に変調された電流信号(変調電流Im)を発生する高速変調回路(101〜107、108A、109、112、113)を構成する一方、周囲温度に依存せず常にほぼ一定の定電流をバイアス電流Ibias として生成するバイアス電流生成回路111Aを構成したものである。バイアス電流生成回路111Aは、周囲温度に依存しない温度特性の定電流源I4Aで構成されている。
21 is different from the configuration of FIG. 11 in that an external data signal generation circuit (in FIG. 21) is connected in series with the collector of the transistor Q4 of the voltage /
図21においては、周囲温度の変化に対応して、データ信号としてのパルス電流(変調電流)の振幅が面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従して変化するので、このパルス電流(変調電流)に適宜の一定のバイアス電流Ibiasを印加することにより、図11と同様な作用・効果を得ることができる。即ち、使用する面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性が少なくとも1つ以上の変曲点を有する放物線状の特性である場合に、これに対応してレーザダイオード駆動電流の温度特性を追従させることができる。
[実施形態6]
In FIG. 21, the amplitude of the pulse current (modulation current) as the data signal changes following the temperature characteristics of the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD1 in response to the change in the ambient temperature. By applying an appropriate constant bias current Ibias to the pulse current (modulation current), the same operation and effect as in FIG. 11 can be obtained. That is, when the temperature characteristic of the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD1 to be used is a parabolic characteristic having at least one inflection point, the temperature characteristic of the laser diode driving current is corresponding to this. Can be made to follow.
[Embodiment 6]
図22は本発明の実施形態6の光半導体発光素子駆動回路の構成図を示している。実施形態6は、図14の実施形態3に対応するものであり、図14と同一機能を有する同一部分には同一符号を付して説明する。
図22は、光半導体発光素子駆動回路200Eとこれによって駆動される光半導体発光素子としての面発光型のレーザダイオードLD11を有した光送信モジュール100Eの構成例を示している。
FIG. 22 shows a configuration diagram of an optical semiconductor light emitting element driving circuit according to Embodiment 6 of the present invention. The sixth embodiment corresponds to the third embodiment of FIG. 14, and the same parts having the same functions as those of FIG.
FIG. 22 shows a configuration example of an optical transmission module 100E having an optical semiconductor light emitting
図22で、図14の構成と異なる点は、レーザダイオードLD1とカレントミラー回路222Aとの間における、カレントミラー回路222AのトランジスタQ27のコレクタに直列に、外部のデータ信号発生回路(図示せず)で生成したデータ信号(‘1’,‘0’のデジタル信号に対応したパルス信号)によってオン,オフするスイッチ回路S2を介挿することにより、面発光型のレーザダイオードLD11の閾値電流Ithの温度特性に追従したレーザダイオード駆動用の高速に変調された電流信号(変調電流Im)を発生する高速変調回路(202,203,209,214〜221、222A)を構成する一方、周囲温度に依存せず常にほぼ一定の定電流をバイアス電流Ibias として生成するバイアス電流生成回路223Aを構成したものである。バイアス電流生成回路223Aは、周囲温度に依存しない温度特性の定電流源I15Aで構成されている。
FIG. 22 differs from the configuration of FIG. 14 in that an external data signal generation circuit (not shown) is connected in series with the collector of the transistor Q27 of the
図22においては、周囲温度の変化に対応して、データ信号としてのパルス電流(変調電流)の振幅が面発光型のレーザダイオードLD1の閾値電流Ithの温度特性に追従して変化するので、このパルス電流(変調電流)に適宜の一定のバイアス電流Ibiasを印加することにより、図14と同様な作用・効果を得ることができる。即ち、使用する面発光型のレーザダイオードLD11の閾値電流Ithの温度特性が少なくとも1つ以上の変曲点を有する放物線状の特性である場合に、これに対応してレーザダイオード駆動電流の温度特性を追従させることができる。 In FIG. 22, the amplitude of the pulse current (modulation current) as the data signal changes following the temperature characteristics of the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD1 corresponding to the change in the ambient temperature. By applying an appropriate constant bias current Ibias to the pulse current (modulation current), the same operation and effect as in FIG. 14 can be obtained. That is, when the temperature characteristic of the threshold current Ith of the surface emitting laser diode LD11 to be used is a parabolic characteristic having at least one inflection point, the temperature characteristic of the laser diode driving current is corresponding to this. Can be made to follow.
101…温度係数回路
102,103…増幅回路
104,105…レベルシフト回路
108…電圧・電流変換回路
110…重畳出力回路
200…光半導体発光素子駆動回路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記温度係数信号生成回路の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を所定の温度勾配に反転して第1の出力信号として出力する第1の増幅回路と、
前記温度係数信号生成回路の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を所定の温度勾配で反転せずに第2の出力信号として出力する第2の増幅回路と、
前記第1の出力信号と前記第2の出力信号とが入力され、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号とのいずれかを選択し、その信号を基にバイアス電流又は変調電流を生成する出力回路と、
を有する光半導体発光素子駆動回路。 A temperature coefficient signal generation circuit that generates a voltage or current having a positive slope or a negative slope with respect to the ambient temperature; and
A first amplifier circuit that receives the voltage or current of the temperature coefficient signal generation circuit, inverts the voltage or current to a predetermined temperature gradient, and outputs the first output signal;
A second amplification circuit that receives the voltage or current of the temperature coefficient signal generation circuit and outputs the second output signal without inverting the voltage or current at a predetermined temperature gradient;
The first output signal and the second output signal are input, and either the first output signal or the second output signal is selected, and a bias current or a modulation current is selected based on the signal. An output circuit to generate,
An optical semiconductor light-emitting element driving circuit comprising:
周囲温度に対して略ゼロの傾きを持つ基準信号を生成する基準信号生成回路と、
前記温度係数信号生成回路の温度係数信号の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を所定の温度勾配に反転して第1の出力信号として出力する反転増幅回路と、
前記温度係数信号生成回路の温度係数信号の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を所定の温度勾配で反転せずに第2の出力信号として出力する非反転増幅回路と、
前記第1の出力信号と前記第2の出力信号と前記基準信号とが入力され、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号と前記基準信号とのいずれかを選択し、その信号を基にバイアス電流又は変調電流を生成する出力回路と、
を有する光半導体発光素子駆動回路。 A temperature coefficient signal generation circuit that generates a voltage or current having a positive slope or a negative slope with respect to the ambient temperature; and
A reference signal generation circuit that generates a reference signal having a substantially zero slope with respect to the ambient temperature;
An inverting amplifier circuit that receives the voltage or current of the temperature coefficient signal of the temperature coefficient signal generation circuit, inverts the voltage or current to a predetermined temperature gradient, and outputs the inverted signal as a first output signal;
A non-inverting amplifier circuit that receives the voltage or current of the temperature coefficient signal of the temperature coefficient signal generation circuit and outputs the second output signal without inverting the voltage or current at a predetermined temperature gradient;
The first output signal, the second output signal, and the reference signal are input, and one of the first output signal, the second output signal, and the reference signal is selected, and the signal is An output circuit for generating a bias current or a modulation current based on the output circuit;
An optical semiconductor light-emitting element driving circuit comprising:
前記温度係数信号生成回路の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を所定の温度勾配に反転して第1の出力信号として出力する第1の増幅回路と、
前記温度係数信号生成回路の電圧又は電流が入力され、少なくとも2つ以上の反転増幅回路を用いて前記電圧又は電流を所定の温度勾配で反転せずに第2の出力信号として出力する第2の増幅回路と、
前記温度係数信号生成回路の電圧又は電流が入力され、前記電圧又は電流を略ゼロの温度勾配に反転して、周囲温度に対して略ゼロの傾きを持つ第3の出力信号を出力する第3の増幅回路と、
前記第1の出力信号と前記第2の出力信号と前記第3の出力信号とが入力され、前記第1の出力信号と前記第2の出力信号と前記第3の出力信号とのいずれかを選択し、その信号を基にバイアス電流又は変調電流を生成する出力回路と、
を有する光半導体発光素子駆動回路。 A temperature coefficient signal generation circuit that generates a voltage or current having a positive slope or a negative slope with respect to the ambient temperature; and
A first amplifier circuit that receives the voltage or current of the temperature coefficient signal generation circuit, inverts the voltage or current to a predetermined temperature gradient, and outputs the first output signal;
A voltage or current of the temperature coefficient signal generation circuit is input, and at least two or more inverting amplification circuits are used to output the voltage or current as a second output signal without being inverted at a predetermined temperature gradient. An amplifier circuit;
A voltage or current of the temperature coefficient signal generation circuit is input, the voltage or current is inverted to a substantially zero temperature gradient, and a third output signal having a substantially zero gradient with respect to the ambient temperature is output. An amplifier circuit of
The first output signal, the second output signal, and the third output signal are input, and any one of the first output signal, the second output signal, and the third output signal is obtained. An output circuit that selects and generates a bias current or a modulation current based on the signal;
An optical semiconductor light-emitting element driving circuit comprising:
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