JP2010157662A - レーザダイオード駆動回路及びレーザダイオード駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電流の供給先のＬＤの電流‐光出力特性の傾きが大きくなっていても、当該ＬＤの平均光出力を一定にすると共に消光比を所定値以上に維持することができるＬＤ駆動回路の提供。
【解決手段】ＬＤ駆動回路１は、信号光を出射するＬＤ２に送信信号に対応する変調電流Ｉｍをバイアス電流Ｉｂに重畳させて供給し、ＬＤの出射光の強度を所定値に保つために、出射光のモニタ出力に基づいてバイアス電流Ｉｂを調整するものである。そして、変調電流の大きさを制御する変調電流制御部７を備え、該制御部７が、バイアス電流Ｉｂが閾値より小さいか否か判定するバイアス電流判定部７１を有し、閾値より大きい場合は、変調電流Ｉｍを予め設定されていた初期値に維持し、小さい場合は、ＬＤの出射光の強度が所定値になるよう変調電流Ｉｍを初期値から減少させる制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信用の光送信装置に用いられるレーザダイオード駆動回路及びレーザダイオード駆動方法に関する。

光通信用の光送信装置は、光トランシーバ等に用いられ、信号光を出射するレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）と、ＬＤ駆動回路とを備える。光送信装置において、ＬＤ駆動回路が、送信信号に基づく変調電流（パルス電流）にバイアス電流を重畳した駆動電流をＬＤに供給することにより、ＬＤの信号光は変調される。

このように光送信装置に用いられるＬＤ駆動回路は、ＬＤの平均光出力を一定にしたりＬＤの消光比を所定値以上にしたりするため、バイアス電流と変調電流の大きさを制御している。通常、ＬＤの平均光出力を一定にするために、ＬＤの発光パワーをモニタするフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）からの出力が所定の値になるようにバイアス電流の大きさを制御している。また、消光比を所定値以上に維持するために、（消光比自体を直接モニタすることが困難なので）ＬＤの周辺温度をモニタし、モニタ温度に応じて変調電流の大きさを制御している。特許文献１には、上述のように変調電流の大きさを制御するため、予め変調電流の大きさを温度毎に記憶することが開示されている。

特開平１１−１３５８７１号公報

しかし、ＬＤのバラつきによっては、予め温度毎に記憶していた変調電流の大きさを制御に用いると、以下のように問題が生じる可能性がある。例えば、ＬＤの電流‐光出力特性の傾きが大きい場合、記憶された変調電流の大きさを用いてＬＤを駆動したときに光出力が大きくなってしまい、バイアス電流の大きさをゼロにしても目標の平均光出力値より大きくなってしまうことがある。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、駆動電流の供給先のＬＤの電流‐光出力特性の傾きが大きくなっていても、当該ＬＤの平均光出力を一定にすると共に消光比を所定値以上に維持することができるレーザダイオード駆動回路及びレーザダイオード駆動方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザダイオード駆動回路は、信号光を出射するレーザダイオードに送信信号に対応する変調電流をバイアス電流に重畳させて供給し、レーザダイオードの出射光の強度を所定値に保つために、出射光のモニタ出力に基づいてバイアス電流を調整するものである。そして、変調電流の大きさを制御する変調電流制御部を備え、変調電流制御部が、バイアス電流が閾値より小さいか否か判定するバイアス電流判定部を有し、閾値より大きい場合は、変調電流を予め設定されていた初期値に維持し、小さい場合は、レーザダイオードの出射光の強度が所定値になるよう変調電流を初期値から減少させる制御を行うことを特徴とする。

また、変調電流制御部の上記制御は、閾値より小さいバイアス電流が閾値より大きくなったことをバイアス電流判定部が検知することにより、上記変調電流を減少させる制御を停止することが好ましい。なお、初期値は、レーザダイオードの周辺温度と関連付けられて記憶されているとよい。

また、本発明のレーザダイオード駆動方法は、信号光を出射するレーザダイオードに、送信信号に対応する変調電流をバイアス電流に重畳させて供給し、レーザダイオードの出射光のモニタ出力に基づいてバイアス電流を調整する。そして、バイアス電流判定部により、バイアス電流の値が閾値より小さいか否か判定し、閾値より大きい場合は、変調電流の値を予め設定されていた初期値に維持し、小さい場合は、レーザダイオードの出射光の強度が所定値になるよう変調電流を上記初期値から減少させる制御を行うことを特徴とする。

本発明のＬＤ駆動回路では、バイアス電流の制御によりＬＤの平均光出力を一定にすることができているか否かをバイアス電流の大きさに基づいて判断し、バイアス電流の大きさが閾値以下であれば、ＬＤの電流‐光出力特性の傾きが大きく通常動作ができていないものとして、変調電流の大きさを、設定したものより小さくしている。したがって、駆動電流の供給先のＬＤの駆動電流‐光出力特性の傾きが大きくなっていても、当該ＬＤの平均光出力を一定にすることができると共に消光比を所定値以上に維持できる。

本発明のＬＤ駆動回路の一例を示すブロック図である。 ＬＤの駆動電流‐光出力特性のいくつかの例を示す図である。 図１のＬＤ駆動回路の変調電流制御部の動作を説明する図である。 図１のＬＤ駆動回路における変調電流制御部のアルゴリズムの一例を説明するフローチャートである。

本発明のＬＤ駆動回路について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発明のＬＤ駆動回路の一例を示すブロック図である。図２は、ＬＤの駆動電流‐光出力特性のいくつかの例を示す図である。図３は、図１のＬＤ駆動回路の変調電流制御部の動作を説明する図である。
本発明のＬＤ駆動回路は、図１に例示するように、信号光を出射するＬＤ２と、ＬＤ２の発光パワーをモニタするＰＤ３と、ＬＤ２の周辺温度をモニタするための温度モニタ回路４と、が接続されている。

ＬＤ２の出力特性は、温度等により大きく変動する。従って、信号光強度を一定に保ち消光比を所定値以上に維持するため、バイアス電流及び変調電流を温度変化等に応じて制御する必要がある。そこで、ＬＤ駆動回路１は、送信信号ＴＸに応じた変調電流Ｉｍにバイアス電流Ｉｂを重畳した駆動電流ＩｄをＬＤ２へ供給しつつ、その時の光出力及びＬＤ２の周辺温度の情報をそれぞれＰＤ３及び温度センサ（不図示）から取得している。そして、通常は、消光比を維持するためにＬＤ２の周辺温度に関連付けて予め記憶された変調電流の大きさを設定し、信号光強度を一定に保つために光出力に基づきバイアス電流の大きさを制御している。

しかし、信号光強度を一定に保つためには、上記のバイアス電流の制御だけでは対応できない場合がある。例えば、ＬＤの電流‐光出力特性の傾きが大きいとき、バイアス電流の大きさをゼロにしても目標の平均光出力強度より大きくなってしまう。そこで、本ＬＤ駆動回路１は、バイアス電流の大きさが所定値（閾値）より小さく十分小さい値（≒０ｍＡ）のときは、バイアス電流の大きさの制御だけでは信号光強度を一定に保つことができていないものとして、変調電流の大きさを制御する、つまり、変調電流の大きさを予め記憶されたものより小さい値に制御するものである。

これを可能とするために、ＬＤ駆動回路１は、バイアス電流源５と、バイアス電流制御部６と、変調電流制御部７と、変調電流源８と、変調回路部９と、を備える。
バイアス電流源５は、ＬＤ２のカソードに接続されており、バイアス電流制御部６による制御に基づいた大きさのバイアス電流ＩｂをＬＤ２に供給する。バイアス電流制御部６は、ＰＤ３からの信号に基づいて、バイアス電流源５で流すバイアス電流Ｉｂの大きさを調整（制御）する。

ＬＤ駆動回路１において、図２（Ａ），（Ｂ）のようにＬＤ２の駆動電流‐光出力特性の傾きが大きくない場合、バイアス電流制御部６がバイアス電流（｜Ｉｂ｜）を調整することで、ＬＤ２の平均光出力を所望の値（目標値Ｔ）で一定にすることができる。しかし、図２（Ｃ）のように、ＬＤ２の駆動電流‐光出力特性の傾きが想定していた以上に大きい場合、バイアス電流制御部６がバイアス電流（｜Ｉｂ｜）として負の値を設定することはできず、最小値（≒０）しか設定できないので、当該制御部６の制御のみでは、ＬＤ２の平均光出力を所望の値にすることができない（トラッキングエラーが発生する）。

このように、ＬＤ駆動回路１において、バイアス電流制御部６の制御によってＬＤ２の平均光出力を所望の値にできるか否かは、ＬＤ２の駆動電流‐光出力特性（の傾き）に応じて変わるが、ＬＤ駆動回路１では、後述のように、バイアス電流が閾値より小さいか否かに基づいて判定する。そして、バイアス電流制御部６の制御によってＬＤ２の平均光出力を所望の値にできないときは、後述のように、変調電流Ｉｍの大きさ（デジタル信号である変調信号Ｉｍのデジタル信号‘１’のときの変調電流をいう）を調整してＬＤ２の平均光出力を一定にする。変調電流制御部７は、これを可能とするために、後述のバイアス電流判定部と設定値調整部を含む。

変調電流制御部７は、温度モニタ回路４からの信号等に基づいて、変調電流Ｉｍの大きさを変調電流源８に設定するためのもので、バイアス電流判定部７１、設定値調整部７２、温度対応電流記憶部７３を有する。温度対応電流記憶部７３は、変調電流とＬＤ２の周辺温度とを関連付けて記憶する記憶手段である。バイアス電流判定部７１及び設定値調整部７２については後述する。
変調電流源８は、変調電流制御部７の制御に基づいた大きさの定電流を変調回路部９に供給する。

変調回路部９は、変調電流源８からの定電流を送信信号Ｔｘに応じて変調し、変調電流Ｉｍを生成するもので、一対のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２により構成されている。トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２には、ＬＤ駆動回路１の外部からそれぞれ送信信号ＴＸ１及びその反転信号ＴＸ２が入力される。

本発明の特徴部に関わる変調電流制御部７について更に説明する。
変調電流制御部７は、温度モニタ回路４からの信号に基づき、温度対応電流記憶部７３を参照し、ＬＤ２の周辺の温度に関連付けられた変調電流を読み出し、それを初期値として変調電流源８に設定することができる。

変調電流制御部７のバイアス電流判定部７１は、バイアス電流が所定値（閾値）より小さいか否かによって、バイアス電流Ｉｂを制御することによるＬＤ２の平均光出力の一定化ができているか否か判定する。当該判定のために、バイアス電流源５をモニタするモニタ回路を有し、バイアス電流の情報を得ている。また、設定値調整部７２は、後述の条件によっては、変調電流源８に設定した初期値を調整（制御）するものである。

この変調電流制御部７は、起動されたときやＬＤ２の温度が変化したときに、温度対応電流記憶部７３に予め記憶されていた変調電流（初期値）を変調電流源８に設定する。
そして、その後、バイアス電流判定部７１がバイアス電流を監視し、バイアス電流が閾値より小さくなければ、バイアス電流制御部６の制御だけで平均光出力の一定化ができていることになるので、現在変調電流源８に設定されている初期値を維持する。

一方、図３に示すように、バイアス電流（｜Ｉｂ｜）が閾値より小さく十分小さい値（≒０ｍＡ）ならば、変調電流分だけで、バイアス電流制御部６における平均光出力パワーの目標値Ｔよりも大きくなっており、平均光出力の一定化ができていないことになる。そのため、バイアス電流（｜Ｉｂ｜）が閾値より小さいときは、設定値調整部７２が、変調電流源８に設定していた変調電流を初期値（｜Ｉｍ｜）より小さい値（｜Ｉｍ’｜）に調整し、ＬＤ２の平均光出力パワーを減少させ、当該パワーが所定値になるように制御する。変調電流を減少させることにより、ＬＤの平均出力パワーが所定値になれば、バイアス電流制御部６によりバイアス電流が上記閾値以上となり、設定値調整部７２による変調電流の制御が終了する。

なお、変調電流を小さくしたとしても、消光比は十分に大きい値が維持される。その理由は、ＬＤ２の閾値電流は温度が下がったとしても０ｍＡではないため、バイアス電流Ｉｂが十分小さい値（≒０ｍＡ）ならば、デジタル信号‘０’に対応した駆動電流Ｉｄも十分小さくなり、当該信号に対応した光出力が≒０Ｗになるからである（消光比∝（デジタル信号‘１’に対応した光出力／デジタル信号‘０’に対応した光出力））。

以上のように、ＬＤ駆動回路１は、上述のようして変調電流の制御を行うことで、ＬＤ２の駆動電流‐光出力特性の傾きが大きくなっていても、当該ＬＤの平均光出力を一定にし消光比を所定値以上に維持することができる。
なお、変調電流制御部７（バイアス電流源５のモニタ回路を除く）は、例えば、ＬＤ駆動回路１が組み込まれた光トランシーバの制御部のＣＰＵ及びフラッシュメモリにより実現される。

図４は、図１のＬＤ駆動回路１における変調電流制御部７のアルゴリズムの一例を説明するフローチャートである。
変調電流制御部７は、ＬＤ駆動回路１が組み込まれた光トランシーバの電源がＯＮされることにより起動されると（ステップＳ１）、ＬＤ２周辺温度の検知結果を示す信号を温度モニタ回路４から取得する（ステップＳ２）。そして、上記信号と温度対応電流記憶部７３の参照結果とに基づき当該記憶部７３に記憶の初期値（現在のＬＤ２の周辺温度に関連付けられた変調電流）を変調電流源８に設定する（ステップＳ３）。

そして、再びＬＤ２の周辺温度の検知結果を示す信号を温度モニタ回路４から取得し、周辺温度に変化がないかを判定する（ステップＳ４）。変化があった場合は、ステップＳ３に戻り、変化がない場合は、バイアス電流が閾値（バイアス電流がそれ以上減らすことができない値であるかを判定する閾値で、例えば０．０１ｍＡ）より小さいか否かをバイアス電流判定部７１で判定する（ステップＳ５）。

上記閾値より大きい場合（ＮＯの場合）は、現在変調電流源８に設定している変調電流を維持し続けて、ステップＳ４に戻る。一方、閾値より小さい場合（ＹＥＳの場合）は、現在の変調電流より小さいものが設定されるように、設定された変調電流を設定値調整部７２で調整する（ステップＳ６）。そして、再びＬＤ２の周辺温度の検知結果を示す信号を温度モニタ回路４から取得し、周辺温度に変化がないかを判定する（ステップＳ７）。変化があった場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ３に戻り、変化がない場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ５に戻る。

従来から、ＬＤの駆動電流−光出力特性が温度に応じて異なるので、ＬＤ駆動回路は、光出力パワーを所定の値で一定にするため、ＬＤの発光パワーをモニタするＰＤからの出力が所定の値になるようにバイアス電流を制御している。また、ＳＤＨ等の光通信の標準規格において、ＬＤの最小消光比条件が指定されている。この最小消光比条件を満たすため、ＬＤ駆動回路は、ＬＤの周辺温度のモニタ結果に応じて変調電流を制御している。この制御ができるように、例えば、従来では、予め変調電流の温度毎に変調電流を記憶するように構成されていた。

この構成では、ＬＤチップの特性やＬＤが搭載される送信用光モジュールの調芯具合に合わせて、温度と変調電流の対応を変えることが望ましいが、量産時は、作業効率を重視するため、そのばらつきに応じて設定を変更をすることはせず、単に上述のように温度に対応付けて変調電流値を予め記録させておくことが多かった。しかし、この構成では、バイアス電流を全く流さない状態にしても変調電流寄与分だけでＬＤの平均光出力が目標値を超えてしまうことがあった。たとえば、低温時のＬＤの発光効率が想定以上に良い場合がそれに相当する。温度が低くなるにつれてＬＤチップの閾値電流は小さくなり、バイアス電流の制御だけでは光出力パワーを下げきれないことが起こり易い。これを本発明のＬＤ駆動回路では避けることができる。

なお、以上の例では、バイアス電流源をモニタしてバイアス電流の情報を得るようにしていたが、バイアス電流制御部からその情報を得るようにしてもよい。

１…ＬＤ駆動回路、２…ＬＤ、３…ＰＤ、４…温度モニタ回路、５…バイアス電流源、６…バイアス電流制御部、７…変調電流制御部、７１…バイアス電流判定部、７２…設定値調整部、７３…温度対応電流記憶部、８…変調電流源、９…変調回路部。

Claims (4)

1. 信号光を出射するレーザダイオードに、送信信号に対応する変調電流をバイアス電流に重畳させて供給し、前記レーザダイオードの出射光のモニタ出力に基づいて前記バイアス電流を調整するレーザダイオード駆動回路において、
   前記変調電流の大きさを制御する変調電流制御部を備え、
   該変調電流制御部は、前記バイアス電流が閾値より小さいか否か判定するバイアス電流判定部を有し、前記閾値より大きい場合は、前記変調電流を予め設定されていた初期値に維持し、小さい場合は、前記レーザダイオードの出射光の強度が所定値になるよう変調電流を前記初期値から減少させる制御を行うことを特徴とするレーザダイオード駆動回路。
2. 前記変調電流制御部は、前記閾値より小さいバイアス電流が前記閾値より大きくなったことを前記バイアス電流値判定部が検知することにより、前記変調電流を減少させる制御を停止することを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード駆動回路。
3. 前記初期値は、前記レーザダイオードの周辺温度と関連付けられて記憶されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザダイオード駆動回路。
4. 信号光を出射するレーザダイオードに、送信信号に対応する変調電流をバイアス電流に重畳させて供給し、前記レーザダイオードの出射光のモニタ出力に基づいて前記バイアス電流を調整するレーザダイオード駆動方法において、
   バイアス電流判定部により、前記バイアス電流の値が閾値より小さいか否か判定し、前記閾値より大きい場合は、前記変調電流の値を予め設定されていた初期値に維持し、小さい場合は、前記レーザダイオードの出射光の強度が所定値になるよう変調電流を前記初期値から減少させる制御を行うことを特徴とするレーザダイオード駆動方法。