JP2009123959A - 光送信機及び光送信機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に半導体レーザの動作特性を改善することが可能な光送信機を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態の光送信機１は、半導体レーザ４０と、半導体レーザ４０に供給するためのバイアス電流であって、一定値を有する当該バイアス電流を生成するバイアス電流源２０と、トランジスタであって、制御端子と一対の電流端子を備え、半導体レーザ４０に並列に接続されており、該制御端子に印加された変調信号に応じて該一対の電流端子間に流れる電流をスイッチングしてバイアス電流を分流することにより、半導体レーザ４０の出力光を変調する当該トランジスタ３０と、半導体レーザ４０の出力光に応じた電流信号を生成するフォトダイオード５０と、トランジスタ３０の制御端子にバイアス電圧を供給し、当該バイアス電圧を電流信号に応じて変更する制御回路６０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信などに用いられる光送信機、及び、この光送信機の制御方法に関するものである。

広い動作温度範囲を要求される光送信機においては、低温時の半導体レーザの特性の変化が問題となる。例えば−２０℃〜８５℃の動作温度範囲を要求される場合、半導体レーザの発振波長、閾値電流、スロープ効率、緩和振動周波数などが、温度に応じて大きく変化するため、低温時に良好な光変調波形を得られないことがある。

この問題点に関し、特許文献１に記載の光送信機では、抵抗体をヒータとして用い、低温時に半導体レーザを昇温して、半導体レーザの動作特性を改善している。
特開２００７−１８０３７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光送信機では、ＡＰＣ（Auto Power Control）制御とは別に、抵抗体に電流を供給する電流源と、半導体レーザの温度をモニタして電流源の電流を制御する制御回路とを必要とし、半導体レーザの動作特性を改善するためのヒータ制御が複雑であった。

そこで、本発明は、簡易に半導体レーザの動作特性を改善することが可能な光送信機及び光送信機の制御方法を提供することを目的としている。

本発明の光送信機は、半導体レーザと、半導体レーザに供給するためのバイアス電流であって、一定値を有する当該バイアス電流を生成するバイアス電流源と、トランジスタであって、制御端子と一対の電流端子を備え、半導体レーザに並列に接続されており、該制御端子に印加された変調信号に応じて該一対の電流端子間に流れる電流をスイッチングしてバイアス電流を分流することにより、半導体レーザの出力光を変調する当該トランジスタと、半導体レーザの出力光に応じた電流信号を生成するフォトダイオードと、トランジスタの制御端子にバイアス電圧を供給し、当該バイアス電圧を電流信号に応じて変更する制御回路と、を備えることを特徴とする。

この光送信機では、制御回路が半導体レーザの出力光に応じてトランジスタに供給するバイアス電圧を変更するので、トランジスタによって分流されるバイアス電流を変更することができ、その結果、半導体レーザに供給されるバイアス電流を変更することができる。したがって、半導体レーザの温度が変動しても、半導体レーザの出力光を一定に保持することができる（ＡＰＣ制御）。

この光送信機によれば、バイアス電流源がバイアス電流を一定に保持するので、上記したＡＰＣ制御により、半導体レーザのバイアス電流が小さい低温動作時には、トランジスタに分流されるバイアス電流が増加する。その結果、トランジスタが半導体レーザに対してヒータとして作用し、半導体レーザを昇温することができる。したがって、この光送信機によれば、特別なヒータ制御を行うことなく、ＡＰＣ制御を行うだけで、簡易に半導体レーザの動作特性を改善することができる。

上記した半導体レーザと上記したトランジスタとが単一のパッケージ内に配置されていることが好ましい。この構成によれば、半導体レーザに対するトランジスタのヒータ作用を強めることができ、半導体レーザの動作特性をより改善することができる。

また、上記した光送信機は、入力変調信号を増幅して変調信号を生成するドライバ部を更に備え、上記した制御回路は、ドライバ部からの変調信号の振幅を、電流信号に応じて変更してもよい。この構成によれば、制御回路が半導体レーザの出力光に応じて変調信号の振幅を変更するので、半導体レーザの温度が変動しても、半導体レーザの出力光の消光比を一定に保持することができる（ＡＰＣ制御）。

本発明の光送信機の制御方法は、半導体レーザと、半導体レーザに供給するためのバイアス電流を生成するバイアス電流源と、トランジスタであって、制御端子と一対の電流端子を備え、半導体レーザに並列に接続されており、該制御端子に印加された変調信号に応じて該一対の電流端子間に流れる電流をスイッチングしてバイアス電流を分流することにより、半導体レーザの出力光を変調する当該トランジスタと、半導体レーザの出力光に応じた電流信号を生成するフォトダイオードと、トランジスタの制御端子にバイアス電圧を供給する制御回路と、入力変調信号を増幅して変調信号を生成するドライバ部と、を備える光送信機の制御方法であって、バイアス電流源からのバイアス電流を一定値に保持し、フォトダイオードからの電流信号に応じて、ドライバ部からの変調信号の振幅及びバイアス電圧を変更する。

この光送信機の制御方法では、半導体レーザの出力光に応じてトランジスタに供給するバイアス電圧を変更するので、トランジスタによって分流されるバイアス電流を変更することができ、その結果、半導体レーザに供給されるバイアス電流を変更することができる。したがって、半導体レーザの温度が変動しても、半導体レーザの出力光を一定に保持することができる（ＡＰＣ制御）。また、半導体レーザの出力光に応じて変調信号の振幅を変更するので、半導体レーザの温度が変動しても、半導体レーザの出力光の消光比を一定に保持することができる（ＡＰＣ制御）。

この光送信機の制御方法によれば、バイアス電流源からのバイアス電流を一定に保持するので、上記したＡＰＣ制御により、半導体レーザのバイアス電流が小さい低温動作時には、トランジスタに分流されるバイアス電流が増加する。その結果、トランジスタが半導体レーザに対してヒータとして作用し、半導体レーザを昇温することができる。したがって、この光送信機の制御方法によれば、特別なヒータ制御を行うことなく、ＡＰＣ制御を行うだけで、簡易に半導体レーザの動作特性を改善することができる。

本発明によれば、簡易に半導体レーザの動作特性を改善することができる。

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光送信機を示す回路図である。図１に示す光送信機１は、ドライバ部１０と、バイアス電流源２０と、トランジスタ３０と、半導体レーザ４０と、フォトダイオード５０と、制御回路６０と、ＤＣカット用容量素子７１，７２，７６と、終端用抵抗素子７３，７５と、インダクタ７４とを備えている。

ドライバ部１０は、入力変調信号Ｓｉｎを受けて変調信号Ｓｍを生成する。このドライバ部１０は、アンプ１１と差動増幅回路１２とを有している。アンプ１１は、入力変調信号Ｓｉｎを増幅して差動変調信号を生成し、差動増幅回路１２へ出力する。差動増幅回路１２は、差動変調信号に応じて変調信号Ｓｍを生成する。この差動増幅回路１２は、差動対を構成するトランジスタ１３，１４と、負荷用抵抗素子１５，１６と、電流源１７とを有している。

本実施形態では、トランジスタ１３，１４は、それぞれバイポーラトランジスタである。トランジスタ１３，１４のベースには、アンプ１１からの差動変調信号がそれぞれ入力される。トランジスタ１３のコレクタは、負荷用抵抗素子１５を介して高電位側の電源に接続されると共に、ＤＣカット用容量素子７２を介して終端用抵抗素子７３により高周波的に接地されている。一方、トランジスタ１４のコレクタは、負荷用抵抗素子１６を介して高電位側の電源に接続されると共に、ＤＣカット用容量素子７１を介してトランジスタ３０のゲート、および終端用抵抗７５に接続されている。トランジスタ１３，１４のソースは共に電流源１７に接続されており、電流源１７は低電位側の電源に接地されている。

電流源１７は、トランジスタ１３，１４、負荷用抵抗素子１５，１６及び終端用抵抗素子７３に電流Ｉｍを供給する。また、電流源１７は、この電流Ｉｍの値を、制御回路６０からの電流制御信号Ｖｍの値に応じて変更する。

ここで、変調信号Ｓｍの振幅値は、Ｉｍ×（Ｒ１６//Ｒ７５）であり、電流Ｉｍの値に応じて変化することとなる。
Ｉｍ：電流Ｉｍの値
Ｒ１６：負荷用抵抗素子１６の抵抗値
Ｒ７５：終端用抵抗素子７５の抵抗値

バイアス電流源２０は、インダクタ７４を介して半導体レーザ４０のアノードに接続されており、半導体レーザ４０のカソードは接地されている。バイアス電流源２０は、半導体レーザ４０に供給するためのバイアス電流Ｉｂを生成する。バイアス電流源２０は、このバイアス電流Ｉｂの値を一定に保持する。なお、インダクタ７４は、トランジスタ３０による半導体レーザ４０の変調に起因する高周波ノイズをバイアス電流源２０に対して遮断する目的で設けられている。

トランジスタ３０は、半導体レーザ４０に並列に接続されている。具体的には、トランジスタ３０のドレイン（電流端子）は、半導体レーザ４０とインダクタ７４との間のノードに接続されており、トランジスタ３０のソース（電流端子）は接地されている。トランジスタ３０のゲート（制御端子）には、終端用抵抗素子７５を介して、制御回路６０からのゲートバイアス電圧Ｖｇが入力される。終端用抵抗素子７５と制御回路６０との間のノードと、低電位側の電源との間には、直流成分を遮断するための容量素子７６が接続されている。トランジスタ３０は、変調信号Ｓｍに応じてスイッチングし、バイアス電流Ｉｂを分流することによって、半導体レーザ４０の出力光を変調する。

半導体レーザ４０の出力光の一部は、フォトダイオード５０に入力される。フォトダイオード５０のアノードは接地されており、カソードは制御回路６０に接続されている。フォトダイオード５０は、半導体レーザ４０からの出力光の大きさに応じた値を有する電流信号Ｓｉを生成し、制御回路６０へ供給する。

制御回路６０は、トランジスタ３０のゲートにゲートバイアス電圧Ｖｇを供給し、このゲートバイアス電圧Ｖｇの値を電流信号Ｓｉの値に応じて変更する。換言すれば、制御回路６０は、電流信号Ｓｉの値、すなわち半導体レーザ４０の出力光のパワーが一定となるように、ゲートバイアス電圧Ｖｇの値を変更する。また、制御回路６０は、差動増幅回路１２の電流源１７に電流制御信号Ｖｍを供給し、この電流制御信号Ｖｍの値を電流信号Ｓｉの値に応じて変更する。換言すれば、制御回路６０は、電流信号Ｓｉの値、すなわち半導体レーザ４０の出力光の消光比が一定となるように、電流制御信号Ｖｍの値を変更する。すなわち、制御回路６０は、半導体レーザ４０の出力光のパワー及び消光比を一定に保持するように、ＡＰＣ制御を行う。

この制御回路６０は、Ｉ／Ｖ変換器６１と誤差増幅アンプ６２，６３とを備えている。Ｉ／Ｖ変換器６１は、フォトダイオード５０からの電流信号Ｓｉを電圧信号に変換し、誤差増幅アンプ６２，６３へ出力する。誤差増幅アンプ６２，６３には、それぞれ、基準電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２も入力される。誤差増幅アンプ６２は、Ｉ／Ｖ変換器６１からの電圧信号の値と基準電圧Ｖｒ１の値とを比較し、これらの差分に応じた値を有するゲートバイアス電圧Ｖｇを生成する。一方、誤差増幅アンプ６３は、Ｉ／Ｖ変換器６１からの電圧信号の値と基準電圧Ｖｒ２の値とを比較し、これらの差分に応じた値を有する電流制御信号Ｖｍを生成する。

本実施形態では、トランジスタ３０、半導体レーザ４０、フォトダイオード５０、インダクタ７４、抵抗素子７５及び容量素子７６が、単一の同軸型パッケージＰ内に配置されている。このように、トランジスタ３０及び半導体レーザ４０は、単一のパッケージＰ内に配置されていることが好ましい。更に、トランジスタ３０と半導体レーザ４０とは、隣接して配置されていることが好ましい。

次に、環境動作温度が変動したときの光送信機１の動作を説明する。

図２は、半導体レーザの駆動電流に対する出力光を示す図である。図２において、曲線Ｔ１及びＴ２は、半導体レーザ４０の温度がそれぞれＴ１、Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）のときの出力光特性である。また、光波形Ｗｏは、半導体レーザ４０の出力光波形であり、電流波形Ｗｉ１は、半導体レーザ４０の温度がＴ１のときに光波形Ｗｏを得るための半導体レーザ４０の駆動電流波形であり、電流波形Ｗｉ２は、半導体レーザ４０の温度がＴ２のときに光波形Ｗｏを得るための半導体レーザ４０の駆動電流波形である。

図２によれば、半導体レーザ４０の温度がＴ１の場合、光波形Ｗｏの出力光を得るためには、電流波形Ｗｉ２から電流波形Ｗｉ１のように、温度がＴ２の場合に比べて、駆動電流を小さくすればよいことがわかる。すなわち、半導体レーザ４０の温度が低い場合、出力光を一定に保持するためには、半導体レーザ４０に供給するバイアス電流Ｉｌｄｂを小さくすると共に、変調振幅Ｉｌｄｍを小さくすればよいことがわかる。

図３は、トランジスタのゲート電圧に対する半導体レーザの駆動電流を示す図である。電圧波形Ｗｖ１は、半導体レーザ４０の駆動電流波形Ｗｉ１を得るためのトランジスタ３０のゲート電圧波形であり、電圧波形Ｗｖ２は、半導体レーザ４０の駆動電流波形Ｗｉ２を得るためのトランジスタ３０のゲート電圧波形である。

図３によれば、半導体レーザ４０に供給するバイアス電流Ｉｌｄｂを小さくするためには、電圧波形Ｗｖ２から電圧波形Ｗｖ１のように、トランジスタ３０のゲートバイアス電圧Ｖｇを大きくすればよいことがわかる。また、変調振幅Ｉｌｄｍを小さくするためには、変調信号Ｓｍの振幅値Ｉｍ×（Ｒ１６//Ｒ７５）を小さくすればよいことがわかる。

本実施形態の光送信機１では、半導体レーザ４０の温度が低い場合、制御回路６０がゲートバイアス電圧Ｖｇを大きくするので、トランジスタ３０に分流されるバイアス電流が大きくなり、半導体レーザ４０に供給されるバイアス電流Ｉｌｄｂが小さくなる（図３参照）。その結果、半導体レーザ４０の出力光のパワーを一定に保持することができる（図２参照）。

更に、半導体レーザ４０の温度が低い場合、制御回路６０が電流制御信号Ｖｍを小さくするので、差動増幅回路１２の電流源１７の電流Ｉｍが小さくなり、変調信号Ｓｍの振幅値Ｉｍ×（Ｒ１６//Ｒ７５）が小さくなり、半導体レーザ４０の駆動電流の変調振幅Ｉｌｄｍが小さくなる（図３参照）。その結果、半導体レーザ４０の出力光の消光比を一定に保持することができる（図２参照）。

一方、半導体レーザ４０の温度が高い場合、制御回路６０がゲートバイアス電圧Ｖｇを小さくするので、トランジスタ３０に分流されるバイアス電流が小さくなり、半導体レーザ４０に供給されるバイアス電流Ｉｌｄｂが大きくなる（図３参照）。その結果、半導体レーザ４０の出力光のパワーを一定に保持することができる（図２参照）。

更に、半導体レーザ４０の温度が高い場合、制御回路６０が電流制御信号Ｖｍを大きくするので、差動増幅回路１２の電流源１７の電流Ｉｍが大きくなり、変調信号Ｓｍの振幅値Ｉｍ×（Ｒ１６//Ｒ７５）が大きくなり、半導体レーザ４０の駆動電流の変調振幅Ｉｌｄｍが大きくなる（図３参照）。その結果、半導体レーザ４０の出力光の消光比を一定に保持することができる（図２参照）。

このように、本実施形態の光送信機１では、制御回路６０によるＡＰＣ制御によって、半導体レーザ４０の温度が変動しても、半導体レーザの出力光を一定に保持することができる。

また、本実施形態の光送信機１によれば、バイアス電流源２０がバイアス電流Ｉｂを一定に保持するので、上記したＡＰＣ制御により、半導体レーザ４０のバイアス電流Ｉｌｄｂが小さい低温動作時には、トランジスタ３０に分流されるバイアス電流が増加する。その結果、トランジスタ３０が半導体レーザ４０に対してヒータとして作用し、半導体レーザ４０を昇温することができる。したがって、本実施形態の光送信機１によれば、特別なヒータ制御を行うことなく、ＡＰＣ制御を行うだけで、簡易に半導体レーザ４０の動作特性を改善することができる。

また、本実施形態の光送信機１によれば、トランジスタ３０と半導体レーザ４０とが、単一の同軸型パッケージＰ内に配置されており、好ましくは、隣接して配置されているので、半導体レーザ４０に対するトランジスタ３０のヒータ作用を強めることができ、半導体レーザ４０の動作特性をより改善することができる。

また、本実施形態の光送信機１によれば、半導体レーザ４０の順方向電圧をＶＦ、変調信号Ｓｍの振幅をＶＡとすれば、半導体レーザ４０とトランジスタ３０の消費電力の和は、ＶＦ×Ｉｌｄｂ＋ＶＡ^２／Ｒ７５
で与えられ、ＶＦ、ＶＡの変動分を無視すれば、同軸型パッケージの消費電力はほぼ一定に自動的に制御される。そのため、メモリ等を使ったヒータ制御は不要となる。

このように、本実施形態では、トランジスタ３０は、レーザ光出力変調、レーザ光出力制御、ヒータの３つの役割を果たしている。

ところで、特許文献１の図４に記載の光送信機では、半導体レーザ１２とアンプ４６との間に変調電流が流れるので、パッケージの接続ピンに変調電流が流れることとなり、大きな電磁放射ノイズが放射されてしまうことがある。

しかしながら、本実施形態の光送信機１によれば、トランジスタ３０を半導体レーザ４０と同一の同軸型パッケージＰ内に設けているので、特許文献１に記載の光送信機に比べて、変調電流が同軸型パッケージＰの接続ピンに流れることがないという利点が得られる。その結果、本実施形態の光送信機１によれば、特許文献１に記載の光送信機に比べて、電磁放射ノイズの抑制も容易であるという利点が得られる。

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。

本発明の実施形態に係る光送信機を示す回路図である。 半導体レーザの駆動電流に対する出力光を示す図である。 トランジスタのゲート電圧に対する半導体レーザの駆動電流を示す図である。

符号の説明

１…光送信機、１０…ドライバ部、１１…アンプ、１２…差動増幅回路、１３，１４…トランジスタ、１５，１６…負荷用抵抗素子、１７…電流源、２０…バイアス電流源、３０…トランジスタ、４０…半導体レーザ、５０…フォトダイオード、６０…制御回路、６１…Ｉ／Ｖ変換器、６２，６３…誤差増幅アンプ、７１，７２，７６…ＤＣカット用容量素子、７３，７５…終端用抵抗素子、７４…インダクタ、Ｓｉ…電流信号、Ｓｉｎ…入力変調信号、Ｓｍ…変調信号、Ｖｇ…ゲートバイアス電圧、Ｖｍ…電流制御信号。

Claims (4)

1. 半導体レーザと、
   前記半導体レーザに供給するためのバイアス電流であって、一定値を有する当該バイアス電流を生成するバイアス電流源と、
   トランジスタであって、制御端子と一対の電流端子を備え、前記半導体レーザに並列に接続されており、該制御端子に印加された変調信号に応じて該一対の電流端子間に流れる電流をスイッチングして前記バイアス電流を分流することにより、前記半導体レーザの出力光を変調する当該トランジスタと、
   前記半導体レーザの出力光に応じた電流信号を生成するフォトダイオードと、
   前記トランジスタの前記制御端子にバイアス電圧を供給し、当該バイアス電圧を前記電流信号に応じて変更する制御回路と、
   を備えることを特徴とする、光送信機。
2. 前記半導体レーザと前記トランジスタとが単一のパッケージ内に配置されている、請求項１に記載の光送信機。
3. 入力変調信号を増幅して前記変調信号を生成するドライバ部を更に備え、
   前記制御回路は、前記ドライバ部からの前記変調信号の振幅を、前記電流信号に応じて変更する、請求項１又は２に記載の光送信機。
4. 半導体レーザと、
   前記半導体レーザに供給するためのバイアス電流を生成するバイアス電流源と、
   トランジスタであって、制御端子と一対の電流端子を備え、前記半導体レーザに並列に接続されており、該制御端子に印加された変調信号に応じて該一対の電流端子間に流れる電流をスイッチングして前記バイアス電流を分流することにより、前記半導体レーザの出力光を変調する当該トランジスタと、
   前記半導体レーザの出力光に応じた電流信号を生成するフォトダイオードと、
   前記トランジスタの前記制御端子にバイアス電圧を供給する制御回路と、
   入力変調信号を増幅して前記変調信号を生成するドライバ部と、
   を備える光送信機の制御方法であって、
   前記バイアス電流源からの前記バイアス電流を一定値に保持し、
   前記フォトダイオードからの前記電流信号に応じて、前記ドライバ部からの前記変調信号の振幅及び前記バイアス電圧を変更する、
   光送信機の制御方法。

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