JP2008311524A - 半導体レーザ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタ定数の調整を容易に行うことが可能な半導体レーザ駆動回路を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ駆動回路１は、半導体レーザ５を駆動する差動対トランジスタ１２，１３と、差動対トランジスタ１２，１３の差動出力端子間に接続されたフィルタ回路３０と、差動対トランジスタ１２，１３の差動出力端子間に接続された負性インピーダンス回路４０とを備え、負性インピーダンス回路４０は、負性インピーダンスを有し、該負性インピーダンスを調整可能であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ駆動回路に関するものである。

半導体レーザでは、駆動電流の立ち上がり時に光出力波形にオーバーシュートやアンダーシュート（以下では、両者を合わせてリンギングという）が発生することがある。これは、活性層内にキャリアが注入された後に、実際にコヒーレント光が出力されまでの時間差に依存して発生する共振に起因する。この種のリンギングを抑制するために、特許文献１には、半導体レーザに並列に接続されるＲＣフィルタを備えた半導体レーザ駆動回路が記載されている。この半導体レーザ駆動回路では、半導体レーザの駆動電流波形をＲＣフィルタで整形することにより、リンギングが抑制された良好な光出力波形を得ることができる。
特公平７−７８５５号公報

しかしながら、この種のリンギングの大きさは個々の半導体レーザの特性ばらつきに依存するため、ＲＣフィルタ定数を調整する必要があった。そのために、ＲＣフィルタにおける抵抗素子や容量素子などの部品を付け替えて光出力波形を測定し、最適な部品を選択する必要があった。このように、個々の半導体レーザの特性ばらつきに対応するためには、部品の付け替えを繰り返し行う必要があり、フィルタ定数の調整に手間と時間を要していた。

そこで、本発明は、フィルタ定数の調整を容易に行う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している。

本発明の半導体レーザ駆動回路は、半導体レーザを駆動する差動対トランジスタと、差動対トランジスタの差動出力端子間に接続されたフィルタ回路と、差動対トランジスタの差動出力端子間に接続された負性インピーダンス回路とを備え、負性インピーダンス回路は、負性インピーダンスを有し、該負性インピーダンスを調整可能であることを特徴とする。

この半導体レーザ駆動回路によれば、フィルタ回路と負性インピーダンス回路との合成インピーダンスによる帯域制限によって、半導体レーザの駆動電流波形を整形することができ、光出力波形におけるリンギングを抑制することができる。

更に、この半導体レーザ駆動回路によれば、負性インピーダンス回路の負性インピーダンスを調整可能であるので、フィルタ回路と負性インピーダンス回路との合成インピーダンスによる帯域制限量を調整することができる。したがって、この半導体レーザ駆動回路によれば、フィルタ回路を構成する部品を付け替えることなく、フィルタ定数の調整を容易に行うことができる。

上記した負性インピーダンス回路は、差動対トランジスタの差動出力端子にそれぞれ接続された第１の電流端子と、該第１の電流端子に対して互いにクロスカップルされた制御端子とを有する一対の負性インピーダンス用トランジスタと、インピーダンスを有し、一対の負性インピーダンス用トランジスタの第２の電流端子間に接続されたインピーダンス回路と、一対の負性インピーダンス用トランジスタの第２の電流端子に電流を供給し、該電流を調整することによって負性インピーダンスを調整可能な可変電流源とを有していることが好ましい。

この構成によれば、インピーダンス回路のインピーダンスと負性インピーダンス用トランジスタのトランスコンダクタンスとで定まる負性インピーダンスを生じさせることができる。更に、可変電流源によって負性インピーダンス用トランジスタに流れる電流、すなわちトランスコンダクタンスを調整することによって、負性インピーダンスを調整することができる。

上記したフィルタ回路は、直列に接続されたフィルタ用抵抗素子とフィルタ用容量素子とを有し、上記したインピーダンス回路は、直列に接続された負性インピーダンス用抵抗素子と負性インピーダンス用容量素子とを有していてもよい。

また、上記したフィルタ回路は、直列に接続されたフィルタ用抵抗素子とフィルタ用容量素子とを有し、上記したインピーダンス回路は、負性インピーダンス用容量素子を有していてもよい。

本発明によれば、フィルタ定数の調整を容易に行うことが可能な半導体レーザ駆動回路が得られる。

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

図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す回路図である。なお、図１には、半導体レーザ駆動回路１と共に半導体レーザ５が示されている。図１に示す半導体レーザ駆動回路１は、変調部１０と、バイアス電流源２０と、フィルタ回路３０と、負性インピーダンス回路４０と、容量素子５１，５２と、抵抗素子５３，５４と、インダクタ６１，６２とを備えている。

変調部１０は、差動の入力変調信号Ｓｉ，Ｓｉｘに基づき半導体レーザ５に差動の変調電流を供給して、半導体レーザ５を強度変調する。この変調部１０は、アンプ１１、差動対を構成するトランジスタ１２，１３、抵抗素子１４，１５及び変調電流源１６を有している。

アンプ１１は、差動の入力変調信号Ｓｉ，Ｓｉｘを増幅し、トランジスタ１２，１３のベースにそれぞれ出力する。

トランジスタ１２のコレクタは、抵抗素子１４を介して電源Ｖｃｃに接続されると共に、容量素子５１及び抵抗素子５３を介して半導体レーザ５のカソードに接続されている。一方、トランジスタ１３のコレクタは、抵抗素子１５を介して電源Ｖｃｃに接続されると共に、容量素子５２及び抵抗素子５４を介して半導体レーザ５のアノードに接続されている。トランジスタ１２，１３のエミッタは変調電流源１６に接続されており、変調電流源１６は接地されている。このように、変調部１０と半導体レーザ５とはＡＣ結合されている。

半導体レーザ５のアノードは、インダクタ６１を介して電源Ｖｃｃに接続されている。一方、半導体レーザ５のカソードは、インダクタ６２を介してバイアス電流源２０に接続されており、バイアス電流源２０は接地されている。なお、これらのインダクタ６１，６２は、高周波を遮断するように作用する。

バイアス電流源２０は、バイアス電流を半導体レーザ５に供給する。バイアス電流源２０は、インダクタ６１，６２の上記した作用によって、変調電流による影響を受けることなく、安定なバイアス電流を半導体レーザ５に供給することができる。

変調部１０におけるトランジスタ１２のコレクタとトランジスタ１３のコレクタとの間には、フィルタ回路３０及び負性インピーダンス回路４０が接続されている。

フィルタ回路３０は、直列に接続された抵抗素子３１と容量素子３２とを有しており、トランジスタ１２，１３のコレクタ間に接続されている。フィルタ回路３０は、所謂スナバ回路である。

負性インピーダンス回路４０は、一対の負性インピーダンス用トランジスタ４１，４２と、可変電流源４３，４４と、インピーダンス回路４５とを有している。

トランジスタ４１のコレクタは、フィルタ回路３０の一端及びトランジスタ１３のコレクタに接続されている。トランジスタ４１のエミッタは、可変電流源４３に接続されており、可変電流源４３は接地されている。一方、トランジスタ４２のコレクタは、フィルタ回路３０の他端及びトランジスタ１２のコレクタに接続されている。トランジスタ４２のエミッタは、可変電流源４４に接続されており、可変電流源４４は接地されている。

トランジスタ４１，４２のベースは、クロスカップルされている。すなわち、トランジスタ４１のベースはトランジスタ４２のコレクタに接続されており、トランジスタ４２のベースはトランジスタ４１のコレクタに接続されている。トランジスタ４１のエミッタとトランジスタ４２のエミッタとの間には、インピーダンス回路４５が接続されている。

インピーダンス回路４５は、直列に接続された抵抗素子４６と容量素子４７とを有している。

可変電流源４３，４４は、トランジスタ４１，４２に電流を供給する。可変電流源４３，４４は、この電流を、外部からの調整信号Ｓｃに応じて調整することができる。

次に、フィルタ回路３０及び負性インピーダンス回路４０について詳細に説明する。フィルタ回路３０のインピーダンスＺ３０は、下式（１）のように求められる。

Ｒ３１：抵抗素子３１の抵抗値
Ｃ３２：容量素子３２の容量値

同様に、インピーダンス回路４５のインピーダンスＺ４５は、下式（２）のように求められる。

Ｒ４６：抵抗素子４６の抵抗値
Ｃ４７：容量素子４７の容量値

負性インピーダンス回路４０はインピーダンス回路４５とトランジスタ４１，４２との直列回路であり、トランジスタの出力インピーダンスはトランスコンダクタンスの逆数で近似できるので、負性インピーダンス回路４０のインピーダンスＺｉｎｃは、上記（２）式を用いて下式（３）のように求められる。ここでは、本発明の特徴を分かりやすくするために、トランジスタ４１，４２の寄生容量を無視することとする。

ｇｍ：トランジスタ４１，４２それぞれのトランスコンダクタンス

上記（１）式及び（３）式より、フィルタ回路３０と負性インピーダンス回路４０との並列回路の合成インピーダンスＺｄｉｆは、下式（４）のように求められる。

上記（４）式によれば、第１項と第２項との符号が異なるので、合成インピーダンスＺｄｉｆはフィルタ回路３０のインピーダンスＺ３０より小さくなることがわかる。また、トランジスタ４１，４２のトランスインピーダンスｇｍが大きくなるほど、合成インピーダンスＺｄｉｆが低下することがわかる。トランスインピーダンスｇｍの値は、可変電流源４３，４４の電流値により調整可能であり、電流が大きくなるほどトランスインピーダンスｇｍが大きくなる。

したがって、例えばＣ３２＝Ｃ４７とし、Ｒ３１＝２／ｇｍ＋Ｒ４６となるように可変電流源４３，４４の電流を調整すると、理想的には合成インピーダンスＺｄｉｆがゼロとなり、フィルタ回路３０による帯域制限が半導体レーザ５の駆動電流に対して作用しないようにすることができる。また、可変電流源４３，４４の電流をゼロにすると、トランジスタ４１，４２がオフとなり、負性インピーダンス回路４０がフィルタ回路３０から切り離される。この場合、フィルタ回路３０による帯域制限が半導体レーザ５の駆動電流に対して最大に作用する。

また、可変電流源４３，４４の電流を上記電流値の間に設定すると、フィルタ回路３０による帯域制限が負性インピーダンス回路４０によって抑制され、フィルタ回路３０と負性インピーダンス回路４０との合成インピーダンスＺｄｉｆによる帯域制限が半導体レーザ５の駆動電流に対して作用することとなる。そして、可変電流源４３，４４の電流を上記電流値の間で調整すると、フィルタ回路３０と負性インピーダンス回路４０との合成インピーダンスＺｄｉｆによる帯域制限量を調整することができる。

図２は、フィルタ回路３０及び負性インピーダンス回路４０の周波数に対する減衰特性を示す図である。図２には、Ｒ３１＝Ｒ４６＝５０Ω、Ｃ３２＝Ｃ４７＝５ｐＦとし、可変電流源４３，４４の電流を０ｍＡ〜４ｍＡまで０．５ｍＡステップで変化させたシミュレーション結果が示されている。

図２によれば、可変電流源４３，４４の電流が０ｍＡである場合にはフィルタ回路３０による帯域制限が最大に作用しているのに対して、可変電流源４３，４４の電流が増加するほど、負性インピーダンス回路４０の負性インピーダンスが次第に作用して、フィルタ回路３０の帯域制限が次第に抑制されていることがわかる。

図３及び図４は、半導体レーザの駆動電流波形のアイパターンを示す図である。図３には、可変電流源４３，４４の電流を０ｍＡとした場合、すなわちフィルタ回路３０による帯域制限が最大に作用している場合のシミュレーション結果が示されている。一方、図４には、可変電流源４３，４４の電流を適切な４ｍＡに調整した場合、すなわちフィルタ回路３０による帯域制限が適切に作用している場合のシミュレーション結果が示されている。なお、その他の条件は、図２と同様に、Ｒ３１＝Ｒ４６＝５０Ω、Ｃ３２＝Ｃ４７＝５ｐＦとしている。

図３、図４を比較して分かるように、本実施形態の半導体レーザ駆動回路では電流源４３，４４の電流を調整するだけで駆動電流波形、すなわちレーザ光出力波形の立ち上がり、立下り時間を調整することができる。これにより使用するレーザの特性、あるいは適用するアプリケーションによって最適なレーザ光出力波形を得ることができる。例えばリンギングが過度に現れる半導体レーザでは図３の駆動電流波形の方が望ましく、伝送速度の高いアプリケーションでは図4の駆動電流波形の方が望ましいかもしれない。

このように、本実施形態の半導体レーザ駆動回路１によれば、負性インピーダンス回路４０における可変電流源４３，４４の電流を調整するだけで、フィルタ回路３０と負性インピーダンス回路４０との合成インピーダンスによる帯域制限量を適切に調整することができる。したがって、本実施形態の半導体レーザ駆動回路１によれば、フィルタ回路３０を構成する部品を付け替えることなく、フィルタ定数の調整を容易に行うことができる。

その結果、本実施形態の半導体レーザ駆動回路１によれば、個々の半導体レーザ５の特性ばらつきに起因して光出力波形におけるリンギングの大きさがばらついても、適切に光出力波形のリンギングを抑制することができる。

更に、本実施形態の半導体レーザ駆動回路１によれば、アイパターンの開口度を低下させることなく、適切に光出力波形のリンギングを防止することができる。

また、本実施形態の半導体レーザ駆動回路１によれば、部品の付け替えを不要としたので、回路の集積化が可能である。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。

レーザの種類によってはレーザに流す駆動電流波形がオーバーシュート気味であることが望ましいことがある。このような駆動電流波形は、負性インピーダンス回路４０のインピーダンスＺ４５の構成を変えることで実現可能である。例えばインピーダンス回路４５における抵抗素子４６を削除して、すなわちインピーダンス回路４５を容量素子４７のみで構成した場合にはそのようなオーバーシュート気味の駆動電流波形が実現される。

図５は、半導体レーザの駆動電流波形のアイパターンを示す図である。図５には、本実施形態の半導体レーザ駆動回路１において、Ｒ４６＝０Ωとし、可変電流源４３，４４の電流を５．５ｍＡに調整した場合、すなわちフィルタ回路３０による帯域制限が不足している場合（補償不足）のシミュレーション結果が示されている。なお、その他の条件は、図２と同様に、Ｒ３１＝５０Ω、Ｃ３２＝Ｃ４７＝５ｐＦとしている。図５に示す駆動電流波形は、例えば面発光型レーザを駆動するのに適している。

本実施形態の半導体レーザ駆動回路１において、Ｒ４６＝０Ωとしても、可変電流源４３，４４の電流を０ｍＡとすると、図３に示すような、駆動電流波形を得ることができる。したがって、インピーダンス回路４５を容量素子４７のみで構成しても、フィルタ回路３０と負性インピーダンス回路４０との合成インピーダンスＺｄｉｆによる帯域制限量を容易に調整することができることとなる。

また、本実施形態では、負性インピーダンス回路４０におけるトランジスタ４１，４２としてバイポーラトランジスタを用いたが、トランジスタ４１，４２には様々なトランジスタを用いることができる。例えば、トランジスタ４１，４２としてＦＥＴが用いられてもよい。

本発明の実施形態に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す回路図である。 フィルタ回路及び負性インピーダンス回路の周波数に対する減衰特性を示す図である。 フィルタ回路による帯域制限が最大に作用している場合の半導体レーザの駆動電流波形のアイパターンを示す図である。 フィルタ回路による帯域制限が適切に作用している場合の半導体レーザの駆動電流波形のアイパターンを示す図である。 フィルタ回路による帯域制限が不足している場合の半導体レーザの駆動電流波形のアイパターンを示す図である。

符号の説明

１…半導体レーザ駆動回路、５…半導体レーザ、１０…変調部、１１…アンプ、１２，１３…差動対トランジスタ、１４，１５…抵抗素子、１６…変調電流源、２０…バイアス電流源、３０…フィルタ回路、３１…フィルタ用抵抗素子、３２…フィルタ用容量素子、４１，４２…負性インピーダンス用トランジスタ、４３，４４…可変電流源、４５…インピーダンス回路、４６…抵抗素子、４７…容量素子、５１，５２…容量素子、５３，５４…抵抗素子、６１，６２…インダクタ。

Claims (4)

1. 半導体レーザを駆動する差動対トランジスタと、
   前記差動対トランジスタの差動出力端子間に接続されたフィルタ回路と、
   前記差動対トランジスタの差動出力端子間に接続された負性インピーダンス回路と、
   を備え、
   前記負性インピーダンス回路は、負性インピーダンスを有し、該負性インピーダンスを調整可能であることを特徴とする、半導体レーザ駆動回路。
2. 前記負性インピーダンス回路は、
   前記差動対トランジスタの差動出力端子にそれぞれ接続された第１の電流端子と、該第１の電流端子に対して互いにクロスカップルされた制御端子とを有する一対の負性インピーダンス用トランジスタと、
   インピーダンスを有し、前記一対の負性インピーダンス用トランジスタの第２の電流端子間に接続されたインピーダンス回路と、
   前記一対の負性インピーダンス用トランジスタの第２の電流端子に電流を供給し、該電流を調整することによって前記負性インピーダンスを調整可能な可変電流源と、
   を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ駆動回路。
3. 前記フィルタ回路は、直列に接続されたフィルタ用抵抗素子とフィルタ用容量素子とを有し、
   前記インピーダンス回路は、直列に接続された負性インピーダンス用抵抗素子と負性インピーダンス用容量素子とを有する、
   ことを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ駆動回路。
4. 前記フィルタ回路は、直列に接続されたフィルタ用抵抗素子とフィルタ用容量素子とを有し、
   前記インピーダンス回路は、負性インピーダンス用容量素子を有する、
   ことを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ駆動回路。

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