JP2007324463A - 半導体レーザ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザダイオードや駆動回路の特性の変化に対しても、光出力における符号間干渉を十分に低減すること。
【解決手段】 この半導体レーザ駆動回路１は、光信号を生成するためのレーザダイオード（ＬＤ）２を駆動する駆動回路において、ＬＤ２に並列に接続され、ＬＤ２から発生した高周波電流を分流させるフィルタ回路３を備え、フィルタ回路３の周波数特性が可変に構成されている。これにより、ＬＤや駆動回路自体の高周波特性にばらつきが生じたり、動作温度の変化によってそれらの特性が変化した場合であっても、フィルタ回路３の周波数特性を変更することで安定して高周波電流を吸収することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信用の半導体レーザダイオードの駆動回路に関し、特に、高速光通信における半導体レーザダイオードの光出力の符号間干渉を低減できる駆動回路に関するものである。

強度変調された光信号を生成する半導体レーザダイオード（以下、ＬＤと言う）に接続される駆動回路の構成としては、様々な形態のものが知られている。一般に、ＬＤにおいては、キャリアが活性層に注入されてから安定した光出力が得られるまでの間にタイムラグが生じ、そのため光信号を高速変調した場合にはＬＤにおいて高周波電流が発生して、得られる光出力が符号間干渉を引き起こす場合がある。下記特許文献１には、このような符号間干渉を抑えるために、ＬＤに並列に接続され、ＬＤから発生する高周波電流を吸収する回路を含む駆動回路が開示されている。すなわち、この駆動回路は、容量と抵抗とを含む直列回路、ダイオードと容量とを含む並列回路、又は、容量と抵抗とを含む直列回路とダイオードと容量とを含む並列回路とが並列に接続された回路を有している。このような駆動回路は、ＬＤで発生した高周波電流を吸収する役割を担う。
特開昭６０−１８７０７５号公報

上述したような従来の駆動回路においては、ＬＤから発生する高周波電流の吸収を、抵抗、容量、ダイオードといった定数が一定の固定素子の組合せで実現している。これは、ＬＤにおける強度変調を損なうことなくＬＤから発生する高周波電流を吸収するためには、高周波特性に優れた素子を用いる必要があるからである。このような理由から、特性値が一定の２端子素子の組み合わせが用いられている。

しかしながら、ＬＤや駆動回路自体の特性にはばらつきが存在し、このようなばらつきに対しては、ＬＤの高周波電流を効率よく吸収できるように、駆動回路内の固定素子を別の定数の固定素子に付け替える必要がある。また、ＬＤの動作温度の変化による特性の変化に対しては、２端子素子の温度特性によってはＬＤで発生した高周波電流を十分に吸収できない場合がある。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、半導体レーザダイオードや駆動回路の特性の変化に対しても、光出力における符号間干渉を十分に低減することが可能な半導体レーザ駆動回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ駆動回路は、光信号を生成するための半導体レーザダイオードを駆動する半導体レーザ駆動回路において、レーザダイオードに並列に接続され、レーザダイオードから発生した高周波電流を分流させるフィルタ回路を備え、フィルタ回路の周波数特性が可変に構成されていることを特徴とする。

このような半導体レーザ駆動回路においては、半導体レーザダイオードから発生する高周波電流がその半導体レーザダイオードに並列に接続されたフィルタ回路に分流されることにより、生成される光出力におけるオーバーシュートやアンダーシュートを低減することができる結果、光出力の符号間干渉を防止することができる。このとき、半導体レーザダイオードや駆動回路自体の高周波特性にばらつきが生じたり、動作温度の変化によってそれらの特性が変化した場合であっても、フィルタ回路の周波数特性を変更することで安定して高周波電流を吸収することができる。

フィルタ回路は、抵抗素子と、抵抗素子に直列に接続された可変容量の容量素子とを有することが好ましい。この場合、抵抗素子と直列に接続された容量素子の容量を変更することで、半導体レーザダイオードの特性に対応したフィルタ回路の所望の周波数特性を得ることができる。

また、容量素子は、固定容量の第１の容量素子と、第１の容量素子に直列に接続された電圧制御型の可変容量素子である第２の容量素子とを含むことが好ましい。かかる構成を採れば、第１の容量素子の存在により、電圧制御型の第２の容量素子の容量の変化を大きくすることができ、半導体レーザダイオードの特性変化により幅広く対応することができる。

さらに、第１の容量素子の容量は、第２の容量素子の最大容量より大きいことが好ましい。この場合、第１の容量素子によってフィルタ回路へ流れる直流を遮断しつつ、第２の容量素子のみによって半導体レーザダイオードの特性変化に容易に対応することができる。

またさらに、第２の容量素子に接続され、半導体レーザダイオードの動作温度に応じた電圧を第２の容量素子に印加することによって、第２の容量素子の容量を制御する信号生成回路を更に備えることが好ましい。かかる信号生成回路を備えれば、半導体レーザダイオードの動作温度に応じてフィルタ回路の周波数特性を変化させることで、動作温度による半導体レーザダイオードの特性変化に対しても、符号間干渉を十分に低減することができる。

また、フィルタ回路は、可変抵抗値の抵抗素子と、抵抗素子に直列に接続された容量素子とを有することも好ましい。かかる構成を採れば、容量素子と直列に接続された抵抗素子の抵抗値を変更することで、半導体レーザダイオードの特性に対応した所望の周波数特性を得ることができる。

さらに、抵抗素子は、一対の電流端子、当該電流端子間を流れる電流を制御する制御端子を有し、該制御端子を接地するモードで動作させるトランジスタであって、該電流端子の一方に容量素子が接続されていることが好ましい。かかるトランジスタには、制御端子に電流端子間の電流制御用の信号が入力されることで、信号に応じた可変の抵抗素子として機能することができ、容量素子と接続されてフィルタ回路の周波数特性を調整することが可能となる。

またさらに、半導体レーザダイオードの動作温度に応じて抵抗素子の抵抗値を制御する信号を生成し、トランジスタの制御端子に入力する信号生成回路を更に備えることが好ましい。このような信号生成回路を備えれば、半導体レーザダイオードの動作温度に応じてフィルタ回路の周波数特性を変化させることで、動作温度による半導体レーザダイオードの特性変化に対しても、符号間干渉を十分に低減することができる。

本発明の半導体レーザ駆動回路によれば、半導体レーザダイオードや駆動回路の特性の変化に対しても、光出力における符号間干渉を十分に低減することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る半導体レーザ駆動回路の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態である半導体レーザ駆動回路１の構成を示す図である。同図に示す半導体レーザ駆動回路１は、光通信で用いられる光送信器等に内蔵され、半導体レーザダイオード（以下、ＬＤという）２を駆動して強度変調された光信号を生成するための回路である。

半導体レーザ駆動回路１は、ＬＤ２に並列に接続され、ＬＤ２から発生した高周波電流を分流させるフィルタ回路３と、フィルタ回路３の周波数特性を制御する信号生成回路４と、ＬＤ駆動源５とを備えている。ＬＤ２のカソードは、ＬＤ駆動源５の正相データ端子５ａに接続され、ＬＤ２のアノードはＬＤ駆動源５の逆相データ端子５ｂ及び正電源Ｖ_ｃｃに接続されている。ＬＤ駆動源５は、高周波パルス信号である正相のデータ出力及び逆相のデータ出力を生成し、それぞれ、正相データ端子５ａ及び逆相データ端子５ｂに出力する。

フィルタ回路３は、ＬＤ２のアノードに一端が接続された可変容量の容量素子６と、容量素子６の他端とＬＤ２のカソードとの間において、容量素子６と直列に接続された抵抗値Ｒ_１［Ω］の抵抗７とから構成されている。詳細には、容量素子６は、ＬＤ２のアノードに一端が接続された固定容量Ｃ_１［Ｆ］のコンデンサ８と、カソードがコンデンサ８の他端に、アノードが抵抗７にそれぞれ接続された可変容量ダイオード９とを有している。

可変容量ダイオード９は、アノード−カソード間の逆バイアス電圧により接合容量Ｃ_ｖを変化させることが可能な電圧制御型の可変容量素子である。ここで、図２には、可変容量ダイオード９に印加する逆バイアス電圧Ｖ_ｃと可変容量ダイオード９の容量Ｃ_ｖとの関係を示すグラフである。同図により、可変容量ダイオード９の逆バイアス電圧Ｖ_ｃを増加すると容量Ｃ_ｖは単調に減少することがわかる。可変容量ダイオード９のカソードには、デジタルアナログコンバータ等で構成される信号生成回路４が接続され、信号生成回路４が生成する電圧によって逆バイアス電圧Ｖ_ｃが調整される。例えば、図２のような特性の可変容量ダイオード９の場合、信号生成回路４の出力電圧をＶ_ｃｃ−０．８Ｖ、ＬＤ２の順方向電圧を１．５Ｖとすると、可変容量ダイオード９の逆バイアス電圧Ｖ_ｃは０．７Ｖ程度となり、容量Ｃ_ｖは約１７ｐＦとなる。このような可変容量ダイオード９を含むフィルタ回路３は、抵抗７に直列に接続される容量素子６の容量Ｃ_ｖが可変にされているので、全体のフィルタ特性（周波数特性）が可変にされる。

なお、フィルタ回路３の容量素子６は、固定容量のコンデンサ８と可変容量ダイオード９とで構成されており、コンデンサ８の容量Ｃ_１は、可変容量ダイオードのＣ_ｖの最大値に比較して十分大きく（例えば、常温でＣ_ｖ＝17pFに対して、Ｃ_１＝1000pF）されている。フィルタ回路３が抵抗と電圧制御型の可変容量のみを含む場合は、ＬＤの順方向電圧がほぼ固定されているため、容量を可変にすることが不可能になるが、固定容量のコンデンサを直列に接続することで電圧制御型の可変容量ダイオード９に印加する電圧を制御することが可能になる。さらに、固定容量Ｃ_１が可変容量Ｃ_ｖに比較して十分大きくされることで、容量素子６全体の容量がほぼ可変容量Ｃ_ｖになる。そのため、固定容量のコンデンサ８は、容量素子６の可変容量制御を可能にしつつ、直流遮断のためのみに機能することでフィルタ回路３のフィルタ特性には影響を及ぼさない。

可変容量ダイオード９に接続された信号生成回路４には、ＬＤ２の動作温度を検出するためのサーミスタ等の温度センサ１０が接続されている。信号生成回路４は、温度センサ１０により検出された動作温度に応じて可変容量ダイオード９に印加する電圧を設定して、容量Ｃ_ｖを制御する。このとき、信号生成回路４は、その動作温度におけるＬＤ２の特性に応じてフィルタ回路３のフィルタ特性が変化するように電圧を設定する。

以上説明した半導体レーザ駆動回路１によれば、ＬＤ２から発生する高周波電流がそのＬＤ２に並列に接続されたフィルタ回路３に分流されることにより、生成される光出力におけるオーバーシュートやアンダーシュートを低減することができる結果、光出力の符号間干渉を防止することができる。このとき、フィルタ回路３を可変可能な容量と抵抗とで構成することにより、フィルタ回路３のフィルタ特性を最適な特性に調整することができる。その結果、ＬＤ２や半導体レーザ駆動回路１自体の高周波特性にばらつきが生じたり、動作温度の変化によってそれらの特性が変化した場合であっても、フィルタ回路３の周波数特性を変更することで安定してＬＤの高周波電流を吸収することができる。

さらに、信号生成回路４はＬＤ２の動作温度に応じた電圧を可変容量ダイオード９に印加して、ＬＤ２の動作温度に応じてフィルタ回路３の周波数特性を変化させているので、動作温度によるＬＤ２の特性変化に対しても、符号間干渉を十分に低減することができる。

図３は、半導体レーザ駆動回路１におけるＬＤ２の光出力波形を示す図であり、（ａ）は動作温度−１０°Ｃの場合の光出力波形、（ｂ）は動作温度６５°Ｃの場合の光出力波形である。この場合、抵抗７の抵抗値Ｒ_１＝３０Ω、伝送速度は２．４８８３２Ｇｂｐｓであり、ＬＤ２を２３段の擬似ランダム信号で駆動し、可変容量Ｃ_ｖが動作温度−１０°Ｃで１５ｐＦ、動作温度６５°Ｃで１８ｐＦになるように、信号生成回路４の出力電圧を制御した。このように、半導体レーザ駆動回路１では、動作温度が変化してもオーバーシュートやアンダーシュートが低減された良好な光波形が得られている。図４は、図３の光出力波形が得られたときの可変容量ダイオード９の逆バイアス電圧の温度依存性を示す。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図５は、本発明の第２実施形態である半導体レーザ駆動回路２１の構成を示す図である。同図に示すように、半導体レーザ駆動回路２１において、ＬＤ２に並列に接続されたフィルタ回路２３は、可変抵抗値を有する可変抵抗素子２７と、エミッタフォロア回路としての可変抵抗素子２７の出力に直列に接続された固定容量Ｃ_１のコンデンサ８とから構成されている。

すなわち、可変抵抗素子２７は、バイポーラトランジスタであるＮＰＮトランジスタ３１、抵抗値Ｒ_２の抵抗３２、及び容量Ｃ_２のコンデンサ３３を含んで構成されており、ＮＰＮトランジスタ３１のコレクタ（電流端子）はＬＤ２のアノード、逆相データ端子５ｂ、及び正電源Ｖ_ｃｃに、ＮＰＮトランジスタ３１のエミッタ（電流端子）はコンデンサ８に、ＮＰＮトランジスタ３１のベース（制御端子）は信号生成回路２４に、それぞれ接続されている。さらに、ＮＰＮトランジスタ３１のエミッタとアースとの間に抵抗３２が、ＮＰＮトランジスタ３１のベースとアースとの間にコンデンサ３３が、それぞれ接続されている。

この可変抵抗素子２７は、いわゆるエミッタフォロア回路であり、その出力インピーダンスがフィルタ回路２３の可変抵抗として利用されている。そして、信号生成回路２４の生成する電圧がエミッタフォロア回路に入力されることによって可変抵抗値が制御されている。すなわち、ＮＰＮトランジスタ３１は、一対の電流端子（コレクタ、エミッタ）間に流れる電流を、制御端子（ベース）によって制御可能であり、制御端子を接地するモードで動作するトランジスタである。例えば、Ｃ_１＝１６ｐＦ、Ｒ_２＝２．２ｋΩ、信号生成回路２４の出力電圧２．７Ｖ、ＮＰＮトランジスタ３１のベースコレクタ間電圧Ｖｂｅ＝０．５Ｖとすると、ＮＰＮトランジスタ３１にはエミッタ電流Ｉｅが約１ｍＡ流れる。このとき、ＮＰＮトランジスタ３１のエミッタ抵抗Ｒｅは、Ｒｅ＝ｋＴ／（ｑ・Ｉｅ）≒０．０２６／Ｉｅ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子の電荷量を示す）で求められるので、Ｒｅ≒２６Ωとなる。コンデンサ３３の容量Ｒ_２＝０．０１μＦであり信号生成回路２４の内部インピーダンスＲ_０の影響を無視することができるので、エミッタフォロア回路の出力インピーダンスＺ_０は、下記式（１）；
Ｚ_０＝Ｒｅ＋（Ｒｂ＋Ｒ_０）／（１＋β）＝Ｒｅ＋Ｒｂ／（１＋β） …（１）
［上記式中、ＲｂはＮＰＮトランジスタ３１のベース抵抗、βは電流増幅率を示す］
で求められる。ここで、Ｒｂ＝４００Ω、β＝１００とすると、Ｚ_０＝２６＋４００／（１＋１００）＝約３０Ωとなる。ここで、信号生成回路２４の出力電圧を、２．０〜３．３Ｖの範囲で変化させると、エミッタ抵抗Ｒｅを２０．４〜３８．２Ωの範囲で変化させることができる結果、出力インピーダンスＺ_０を２４．４〜４２．２Ωの範囲で制御することが可能になる。

信号生成回路２４は、温度センサ１０により検出された動作温度に応じてＮＰＮトランジスタ３１に印加する電圧を設定して、出力インピーダンスＺ_０を制御する。このとき、信号生成回路４は、その動作温度におけるＬＤ２の特性に応じてフィルタ回路３のフィルタ特性が変化するように電圧を設定する。

以上説明した半導体レーザ駆動回路２１によれば、エミッタフォロア回路である可変抵抗素子２７を、信号生成回路４からの電圧信号に応じた可変の抵抗素子として機能させることができ、フィルタ回路２３の周波数特性を可変に調整することが可能となる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、半導体レーザ駆動回路１の可変容量ダイオード９を、図６に示すように、その極性が逆になるように接続してもよい。駆動回路１が内蔵される光送信器の動作電源電圧や、ＬＤ２の駆動方法、ＬＤ駆動源５等の種類等が変わり、可変容量ダイオード９のカソード電位がＬＤ２のカソード電位より低く設定される場合がありうる。このような場合に、可変容量ダイオード９を逆極性で接続することにより、可変容量ダイオード９が順バイアスされて順方向電流が流れることを避けることができ、フィルタ回路３を正常に動作させることができる。

また、半導体レーザ駆動回路２１の可変抵抗素子２７に含まれる抵抗としては、図７に示すように、可変抵抗５２を使用してもよい。このように可変抵抗を使用することで、ＮＰＮトランジスタ３１のエミッタ電流Ｉｅの調整範囲を広げることができるので、可変抵抗素子２７の抵抗の調整範囲も広げることができる。図８は、可変抵抗５２の抵抗値ＶＲ_１を様々に変化させた場合の信号生成回路２４の出力電圧と可変抵抗素子２７の出力インピーダンスＺ_０との関係を示すグラフである。この結果により、抵抗値ＶＲ_１によって可変抵抗素子２７の抵抗値の調整範囲が徐々に変化していることがわかる。

また、半導体レーザ駆動回路２１の可変容量素子に含まれるトランジスタとしては、図９に示すように、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、Ｊ−ＦＥＴ等のＮ型ＦＥＴ５１を用いてもよい。この場合、Ｎ型ＦＥＴ５１のドレインはＬＤ２のアノード、逆相データ端子５ｂ、及び正電源Ｖ_ｃｃに、Ｎ型ＦＥＴ５１のソースはコンデンサ８に、Ｎ型ＦＥＴ５１のゲートは信号生成回路２４に、それぞれ接続される。さらに、Ｎ型ＦＥＴ５１のソースとアースとの間に抵抗３２が、Ｎ型ＦＥＴ５１のゲートとアースとの間にコンデンサ３３が、それぞれ接続される。この可変抵抗素子５７は、ソースフォロア回路として動作し、このソースフォロア回路に信号生成回路２４から抵抗制御用の電圧が入力されて、出力インピーダンスが調整される。すなわち、Ｎ型ＦＥＴ５１は、一対の電流端子（ドレイン、ソース）間に流れる電流を、制御端子（ゲート）によって制御可能であり、制御端子を接地するモードで動作するトランジスタである。

本発明の第１実施形態である半導体レーザ駆動回路１の構成を示す図である。 図１の可変容量ダイオードに印加する逆バイアス電圧と可変容量ダイオードの容量との関係を示すグラフである。 図１の半導体レーザ駆動回路におけるＬＤの光出力波形を示す図であり、（ａ）は、動作温度−１０°Ｃの場合の光出力波形、（ｂ）は、動作温度６５°Ｃの場合の光出力波形である。 図１の可変容量ダイオードの逆バイアス電圧の温度依存性を示すグラフである。 本発明の第２実施形態である半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 本発明の変形例である半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 本発明の別の変形例である半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 図７の半導体レーザ駆動回路における信号生成回路の出力電圧と可変容量素子の出力インピーダンスとの関係を示すグラフである。 本発明の別の変形例である半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。

符号の説明

１，２１…半導体レーザ駆動回路、２…半導体レーザダイオード（ＬＤ）、３，２３…フィルタ回路、４，２４…信号生成回路、６…容量素子、７…抵抗、８…コンデンサ（第１の容量素子）、９…可変容量ダイオード（第２の容量素子）、２７…可変抵抗素子、３１…ＮＰＮトランジスタ、５１…Ｎ型ＦＥＴ、５７…可変抵抗素子。

Claims (8)

1. 光信号を生成するための半導体レーザダイオードを駆動する半導体レーザ駆動回路において、
   前記レーザダイオードに並列に接続され、前記レーザダイオードから発生した高周波電流を分流させるフィルタ回路を備え、前記フィルタ回路の周波数特性が可変に構成されている、
   ことを特徴とする半導体レーザ駆動回路。
2. 前記フィルタ回路は、
   抵抗素子と、前記抵抗素子に直列に接続された可変容量の容量素子とを有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ駆動回路。
3. 前記容量素子は、
   固定容量の第１の容量素子と、前記第１の容量素子に直列に接続された電圧制御型の可変容量素子である第２の容量素子とを含む、
   ことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ駆動回路。
4. 前記第１の容量素子の容量は、前記第２の容量素子の最大容量より大きい、
   ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ駆動回路。
5. 前記第２の容量素子に接続され、前記半導体レーザダイオードの動作温度に応じた電圧を前記第２の容量素子に印加することによって、第２の容量素子の容量を制御する信号生成回路を更に備える、
   ことを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ駆動回路。
6. 前記フィルタ回路は、
   可変抵抗値の抵抗素子と、前記抵抗素子に直列に接続された容量素子とを有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ駆動回路。
7. 前記抵抗素子は、一対の電流端子、当該電流端子間を流れる電流を制御する制御端子を有し、該制御端子を接地するモードで動作させるトランジスタであって、該電流端子の一方に前記容量素子が接続されている、
   ことを特徴とする請求項６記載の半導体レーザ駆動回路。
8. 前記半導体レーザダイオードの動作温度に応じて前記抵抗素子の抵抗値を制御する信号を生成し、前記トランジスタの制御端子に入力する信号生成回路を更に備える、
   ことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ駆動回路。

Images