JP2011023474A - 半導体レーザ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高速光通信に適用可能なシャント駆動方式の半導体レーザ駆動回路の広帯域化を実現する。
【解決手段】半導体レーザ駆動回路１は、半導体発光素子１１と、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴであるトランジスタ１４と、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであるトランジスタ１５とを備える。半導体発光素子１１のアノードはバイアス電流の供給端子であるリードピンＰ１に接続されている。トランジスタ１４は、半導体発光素子１１のアノード及びカソードのそれぞれに接続されたドレイン及びソースと、バイアス電流を変調するための変調信号の入力端子であるリードピンＰ２にトランジスタ１５を介して接続されたゲートとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ駆動回路に関する。

従来より、シャント型の駆動方式を採用したレーザモジュールが知られている（特許文献１〜特許文献４）。シャント駆動方式は、ＬＤ（レーザダイオード）とＦＥＴとを並列に配置し、ＦＥＴゲートに一定のゲートバイアス電圧とＨｉｇｈ信号又はＬｏｗ信号とを印加することによってバイアス電流をスイッチングする。このバイアス電流のスイッチングによってＬＤの光出力を変調する。例えば、ＦＥＴのゲートにＨｉｇｈ信号が印加されている場合、ＬＤ側よりもＦＥＴ側の方により多くの電流が流れるのでＬＤの光出力はＬｏｗとなり、逆に、ＦＥＴのゲートにＬｏｗ信号が印加されている場合には、ＦＥＴ側よりもＬＤ側の方により多くの電流が流れるのでＬＤの光出力はＨｉｇｈとなる。このようにしてＬＤの光出力が変調される。

特開２００５−３３０１９号公報 特開２００７−２６６４９３号公報 特開２００７−３３６２１７号公報 米国特許出願公開第２００８００３１６３４号明細書

ところで、このようにシャント駆動方式を用いて、特に１０Ｇｂ／ｓ等の高速光通信を実現しようとする場合、変調信号の周波数帯域の広帯域化が必要となる。高速光通信の場合、半導体発光素子を駆動するために比較的大きな変調電流が必要となり、このような変調電流を実現するためには比較的大きなサイズのＦＥＴが必要となる。しかし、このような大きなサイズのＦＥＴの場合、入力容量が大きくなり、ゲート側に生じるポールによって（ポール周波数が低減されることによって）周波数帯域の広帯域化が困難となる。そこで本発明の目的は、高速光通信に適用可能なシャント駆動方式の半導体レーザ駆動回路の広帯域化を実現することである。

本発明の半導体レーザ駆動回路は、半導体発光素子と、第１及び第２のトランジスタとを備え、半導体発光素子のアノードは（抵抗素子及びチョークコイルを介して）バイアス電流の供給端子に接続され、第１のトランジスタは、半導体発光素子のアノードに接続された第１の電流端子と、半導体発光素子のカソードに接続された第２の電流端子と、バイアス電流を変調するための変調信号の入力端子に第２のトランジスタを介して接続された第１の制御用端子とを有する、ことを特徴とする。

このように、本発明の半導体レーザ駆動回路のレーザ駆動方式は、半導体発光素子のアノード及びカソードのそれぞれに第１のトランジスタの第１及び第２の電流端子が接続されているので、シャント駆動方式となっている。そして、第１のトランジスタの第１の制御用端子と変調信号の入力端子との間に、第２のトランジスタによるエミッタフォロワ回路が設けられているので、第１のトランジスタの第１の制御用端子の容量と、変調信号の入力端子側の抵抗とによる第１の制御用端子におけるポールの形成が回避される。従って、広帯域の変調信号に対応可能となる。

本発明の半導体レーザ駆動回路では、第２のトランジスタは、半導体発光素子のアノードに（抵抗素子を介して）接続された第３の電流端子と、第１のトランジスタの第１の制御用端子に接続された第４の電流端子と、変調信号の入力端子に接続された第２の制御用端子とを有するのが好ましい。また、本発明の半導体レーザ駆動回路は、容量素子を更に備え、容量素子を介して第１のトランジスタの第１の制御用端子と第２のトランジスタの第２の制御用端子とが接続されているのが好ましい。

本発明によれば、高速光通信に適用可能なシャント駆動方式の半導体レーザ駆動回路の広帯域化が実現できる。

実施形態に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 他の実施形態に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 他の実施形態に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 他の実施形態に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 実施形態の半導体レーザ駆動回路の効果を説明するための図である。 実施形態の半導体レーザ駆動回路の効果を説明するための図である。 他の実施形態の半導体レーザ駆動回路の効果を説明するための図である。 他の実施形態の半導体レーザ駆動回路の効果を説明するための図である。 他の実施形態の半導体レーザ駆動回路の効果を説明するための図である。 他の実施形態の半導体レーザ駆動回路の効果を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る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、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１に、実施形態に係る半導体レーザ駆動回路１の構成を示す。半導体レーザ駆動回路１は、図示しないレーザモジュールに含まれており、このレーザモジュール内のステム（不図示）上に搭載される。このステムには、四本のリードピン（リードピンＰ１〜リードピンＰ４）が設けられており、半導体レーザ駆動回路１は、リードピンＰ１〜リードピンＰ４に接続されている。リードピンＰ１は電流源２に接続され、リードピンＰ２はゲートバイアス供給回路３に接続され、リードピンＰ３は接地され、リードピンＰ４は図示しないＡＰＣ回路（ＡＰＣ：Automatic Power Control）に接続されているものとする。ＡＰＣ回路から出力されるバイアス電流の制御信号は電流源２に入力され、電流源２は、この制御信号に応じてバイアス電流を出力する。リードピンＰ１には電流源２から出力されるバイアス電流が入力する。

ゲートバイアス供給回路３は、インダクタンス素子３ａ及び容量素子３ｂを有する。インダクタンス素子３ａの一端はゲートバイアス電圧の入力端子Ｃ２に接続され、他端はリードピンＰ２及び容量素子３ｂに接続されている。容量素子３ｂの一端は、バイアス電流を変調するための変調信号Ｖｍ（電圧）の入力端子Ｃ３に接続され、他端はリードピンＰ２及びインダクタンス素子３ａに接続されている。リードピンＰ２には、ゲートバイアス供給回路３からゲートバイアス電圧と変調信号Ｖｍとが入力する。

半導体レーザ駆動回路１は、半導体発光素子１１、抵抗素子１２、チョークコイル１３、トランジスタ１４（第１のトランジスタ）、トランジスタ１５（第２のトランジスタ）、電流源１６、抵抗素子１７、容量素子１８及び半導体受光素子１９を有する。リードピンＰ３には、半導体発光素子１１、抵抗素子１２、チョークコイル１３及びリードピンＰ１が、この順に直列接続されている。半導体発光素子１１はレーザダイオードであり、リードピンＰ１、チョークコイル１３及び抵抗素子１２を介して電流源２から供給されるバイアス電流によって発光する。半導体発光素子１１のアノードは、抵抗素子１２、チョークコイル１３及びリードピンＰ１を介して電流源２に接続されている。半導体発光素子１１のカソードは、リードピンＰ３を介して接地されている。抵抗素子１７は５０オーム程度であり、容量素子１８は０．１マイクロファラッド程度である。

トランジスタ１４は、例えばＮ型ＭＯＳＦＥＴであり、半導体発光素子１１に並列に接続されている。トランジスタ１４のドレイン（第１の電流端子）は半導体発光素子１１のアノード及び抵抗素子１２に接続されており、トランジスタ１４のソース（第２の電流端子）は半導体発光素子１１のカソード及びリードピンＰ３に接続され、トランジスタ１４のゲート（第１の制御用端子）はトランジスタ１５を介してリードピンＰ２に接続されていると共に電流源１６を介してリードピンＰ３に接続されている。このように、半導体レーザ駆動回路１は、半導体発光素子１１とトランジスタ１４とが並列接続されたシャントン駆動方式が用いられている。

トランジスタ１５は、例えばＮＰＮ型バイポーラトランジスタである。トランジスタ１５のコレクタ（第３の電流端子）は、チョークコイル１３及びリードピンＰ１を介して電流源２に接続されていると共に抵抗素子１２を介して半導体発光素子１１のアノードに接続され、トランジスタ１５のベース（第２の制御用端子）はリードピンＰ２（変調信号Ｖｍの入力端子）に接続されていると共に抵抗素子１７及び容量素子１８を介してリードピンＰ３に接続され、トランジスタ１５のエミッタ（第４の電流端子）はトランジスタ１４のゲートに接続されていると共に電流源１６を介してリードピンＰ３に接続されている。

半導体受光素子１９は、フォトダイオードであり、カソードはリードピンＰ４に接続され、アノードはリードピンＰ３に接続されている。半導体受光素子１９は、半導体発光素子１１からの光出力をモニタするための素子であり、モニタ結果を示す信号をリードピンＰ４を介してＡＰＣ回路に送信する。ＡＰＣ回路は、このモニタ結果を示す信号に応じて、バイアス電流の制御信号を生成し、電流源２に出力する。

次に、上記構成の半導体レーザ駆動回路１の動作を説明する。リードピンＰ１からチョークコイル１３及び抵抗素子１２を介して入力されるバイアス電流は、トランジスタ１４がオフの場合、半導体発光素子１１に流れ、トランジスタ１４がオンの場合、トランジスタ１４にも電流が流れるので半導体発光素子１１に流れるバイアス電流はトランジスタ１４がオフの場合に比較して小さい。このように、トランジスタ１４のオン／オフによって、半導体発光素子１１に供給するバイアス電流が変動する。トランジスタ１４のオン／オフは、ゲートバイアス供給回路３から入力される変調信号Ｖｍの内容（Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ）に応じて切り替わるので、トランジスタ１４がオン／オフされることよってバイアス電流に変調信号Ｖｍが重畳される。変調信号ＶｍがＨｉｇｈを示す場合、トランジスタ１５はエミッタフォロワ回路を形成しているのでトランジスタ１５のエミッタの電位が追従してＨｉｇｈとなりトランジスタ１４がオンとなる。変調信号ＶｍがＬｏｗを示す場合、やはりエミッタフォロワ回路によりトランジスタ１５のエミッタの電位が追従してＬｏｗとなり、トランジスタ１４もオフとなる。

ここで、図５及び図６を参照して、半導体レーザ駆動回路１の効果を説明する。図５は、ゲートバイアス供給回路３を介して入力される変調信号Ｖｍの周波数と電気信号透過率特性との相関を示す図であり、図６は、半導体発光素子１１を流れる電流のアイパターンを示す図である。図５に示すグラフＧ１は、従来のシャントン駆動方式の半導体レーザ駆動回路を用いた場合の電気信号透過率特性を示しており、グラフＧ２は、半導体レーザ駆動回路１を用いた場合の電気信号透過率特性を示している。グラフＧ１に示す結果は、電気帯域が５．７７ＧＨｚであり、波形のフォールタイム（立下がり時間）が３８ｐｓ（図６（Ａ）に示す従来の半導体レーザ駆動回路に係るアイパターンを参照）となっているのに対し、グラフＧ２に示す結果は、電気帯域が６．８５ＧＨｚであり、波形のフォールタイム（立下がり時間）が３６ｐｓ（図６（Ｂ）に示す半導体レーザ駆動回路１に係るアイパターンを参照）に改善されている。なお、電気帯域は低周波数域（たとえば１００ＭＨｚ）から３ｄＢ下がる周波数を意味し、フォールタイムはアイパターンの立ち下がり２０−８０％の時間を意味する。

このように、半導体レーザ駆動回路１は、半導体発光素子１１のアノードにトランジスタ１４のドレインが接続され、半導体発光素子１１のカソードにトランジスタ１４のソースが接続されているので、シャント駆動方式となっている。そして、トランジスタ１４のゲートと、変調信号の入力端子であるリードピンＰ２との間にトランジスタ１５によるエミッタフォロワ回路が設けられているので、トランジスタ１４のゲート容量とリードピンＰ２側の抵抗素子１７とによるポールがゲートにおいて形成されるのを回避できる。従って、高速光通信用に比較的大きなゲート幅を有するトランジスタ１４が用いられても、広帯域化が可能となる。また、上記構成の半導体レーザ駆動回路１は、４本のリードピンの設けられたステム上に搭載可能となっている。

なお、本発明は、図２に示す半導体レーザ駆動回路１ａによっても実現できる。図２に半導体レーザ駆動回路１ａの構成を示す。半導体レーザ駆動回路１ａは、半導体レーザ駆動回路１の抵抗素子１２に替えてトランジスタ２０を備え、半導体レーザ駆動回路１ａのその他の構成は半導体レーザ駆動回路１と同様である。トランジスタ２０は、例えばＮＰＮ型バイポーラトランジスタであり、コレクタがベースに接続され、コレクタ及びベースがチョークコイル１３に接続されている。トランジスタ２０のエミッタは半導体発光素子１１のアノード及びトランジスタ１４のドレインに接続されている。また、本発明は、図３に示す半導体レーザ駆動回路１ｂによっても実現できる。図３に半導体レーザ駆動回路１ｂの構成を示す。半導体レーザ駆動回路１ｂは、半導体レーザ駆動回路１の構成に加えて容量素子２１を更に備える。容量素子２１を介してトランジスタ１４のゲートとトランジスタ１５のベースとが接続される。また、本発明は、図４に示す半導体レーザ駆動回路１ｃによっても実現できる。図４に半導体レーザ駆動回路１ｃの構成を示す。半導体レーザ駆動回路１ｃは、半導体レーザ駆動回路１ｂの抵抗素子１２に替えてトランジスタ２０を備え、半導体レーザ駆動回路１ｃのその他の構成は半導体レーザ駆動回路１ｂと同様である。なお、容量素子２１の電気容量は、１．５ｐＦ程度とする。

ここで、特に、半導体レーザ駆動回路１ｂの効果を図７〜図１０を参照して説明する。図７に示す図は、半導体レーザ駆動回路１ｂの動作を示すグラフであり、変調信号Ｖｍのパルス入力に応じたゲート電圧Ｖｇとベース電圧Ｖｂとの差分（Ｖｇ−Ｖｂ）の変化の様子を示す。図７に示すグラフＧ４は変調信号Ｖｍを表しており、グラフＧ５はゲート電圧Ｖｇとベース電圧Ｖｂとの差分（Ｖｇ−Ｖｂ）を表している。また、図８に示す図も、半導体レーザ駆動回路１ｂの動作を示すグラフであり、変調信号Ｖｍの入力に応じたゲート電圧Ｖｇ、ベース電圧Ｖｂ及び容量素子２１を流れる電流Ｉｃの変化の様子を示す。図８に示すグラフＧ６はベース電圧Ｖｂを表し、グラフＧ７はゲート電圧Ｖｇを表し、グラフＧ８は電流Ｉｃを表している。

図７に示すように、変調信号Ｖｍのパルス入力が開始すると（変調信号ＶｍがＨｉｇｈに向かう場合）、ベース電圧Ｖｂは、ゲートバイアス供給回路３から入力するゲートバイアス電圧に加えて変調信号Ｖｍのパルス分だけ増加し始めるが、ゲート電圧Ｖｇにはトランジスタ１５が形成するエミッタフォロワ回路を介して電圧変化が伝わるのでベース電圧Ｖｂの増加に遅れて増加する。従って、ゲート電圧Ｖｇ及びベース電圧Ｖｂの差分（Ｖｇ−Ｖｂ）は、変調信号Ｖｍのパルスの立上がりに伴って減少し、立上がり終了に伴ってゼロとなる（Ｖｇが追い付いてＶｂと同じになる）。また、変調信号Ｖｍのパルス入力が終了すると（変調信号ＶｍがＬｏｗに向かう場合）、ベース電圧Ｖｂは、ゲートバイアス供給回路３から入力するゲートバイアス電圧から変調信号Ｖｍ分減少し始めるが、ゲート電圧Ｖｇは、ベース電圧Ｖｂの減少に遅れて減少する。従って、ゲート電圧Ｖｇ及びベース電圧Ｖｂの差分（Ｖｇ−Ｖｂ）は、変調信号Ｖｍのパルスの立下がりに伴って増加し、立下がり終了に伴ってゼロとなる（Ｖｇが追い付いてＶｂと同じになる）。

変調信号Ｖｍのパルスの立上がり時及び立下がり時には、ＶｂとＶｇとの間に電圧差が生じるので、トランジスタ１４のゲートとトランジスタ１５のベースとの間に容量２１を介して過渡電流が流れる。図１０に、この過渡電流の電流路を示すパス３０を示す。パス３０を流れる過渡電流は、変調信号Ｖｍのパルスの立上がり時においてはトランジスタ１５のベースからトランジスタ１４のゲートに流れ（パス３０の矢印の向き）、変調信号Ｖｍのパルスの立下がり時においてはトランジスタ１４のゲートからトランジスタ１５のベースに流れる（パス３０の矢印の向きとは逆の向き）。この過渡電流は，差動増幅回路２２の出力終端抵抗（抵抗素子２６）と入力終端抵抗（抵抗素子１７）からもたらされる。従って変調信号Ｖｍのパルスの立上がり／立下がりがリードピンＰ２においてそれぞれ強調されることになり、半導体レーザ駆動回路１ｂを流れる電流のアイパターンが改善することになる（図９）。実際、図５に示すグラフＧ３は、半導体レーザ駆動回路１ｂを用いた場合の電気信号透過率特性を示しており、このグラフＧ３が示すように、電気帯域は８．３４ＧＨｚに改善されている。また、半導体レーザ駆動回路１ｂを用いた場合の半導体発光素子１１を流れる電流のアイパターンが図９に示されているが、フォールタイムが３４ｐｓに改善され、アイ開口がハッキリしており良好なものとなっている。

ここで、差動増幅回路２２について説明する。図１０に示すように、差動増幅回路２２はゲートバイアス供給回路３を介して半導体レーザ駆動回路１ｂに接続されている。差動増幅回路２２は、トランジスタ２３、トランジスタ２４、入力端子２３ａ、入力端子２４ａ、抵抗素子２５、抵抗素子２６、変調電流源２７を有する。差動増幅回路２２は、直列接続されたトランジスタ２３及び抵抗素子２５と、直列接続されたトランジスタ２４及び抵抗素子２６とが並列に接続された構成を有する。トランジスタ２３及びトランジスタ２４は、例えばＮＰＮ型バイポーラトランジスタである。変調電流源２７は、トランジスタ２３のエミッタとトランジスタ２４のエミッタとに接続されている。トランジスタ２３のベースには入力端子２３ａが接続され、トランジスタ２３のコレクタには抵抗素子２５の一端が接続され、抵抗素子２５の他端には電源及び抵抗素子２６の一端が接続されている。抵抗素子２６の他端はトランジスタ２４のコレクタ及び入力端子Ｃ３に接続され、トランジスタ２４のベースには入力端子２４ａが接続されている。このような構成を有する差動増幅回路２２は、入力端子２３ａ及び入力端子２４ａに入力する差動変調信号に応じて変調信号Ｖｍを生成し、この変調信号Ｖｍを、ゲートバイアス供給回路３を介して半導体レーザ駆動回路１ｂに送る。なお、半導体レーザ駆動回路１，１ａ，１ｃのそれぞれは、半導体レーザ駆動回路１ｂと同様に、ゲートバイアス供給回路３を介して差動増幅回路２２に接続され、差動増幅回路２２は、ゲートバイアス供給回路３を介して半導体レーザ駆動回路１，１ａ，１ｃのそれぞれに変調信号Ｖｍを送る。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

１…半導体レーザ駆動回路、１１…半導体発光素子、１２…抵抗素子、１３…チョークコイル、１４，１５…トランジスタ、１６…電流源、１７…抵抗素子、１８…容量素子、１９…半導体受光素子、１ａ，１ｂ，１ｃ…半導体レーザ駆動回路、２…電流源、２０…トランジスタ、２１…容量素子、２２…差動増幅回路、２３，２４…トランジスタ、２３ａ，２４ａ…入力端子、２５，２６…抵抗素子、２７…変調電流源、３…ゲートバイアス供給回路、３ａ…インダクタンス素子、３ｂ…容量素子、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…入力端子、Ｉｃ…電流、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…リードピン、Ｖｂ…ベース電圧、Ｖｇ…ゲート電圧、Ｖｍ…変調信号

Claims (3)

1. 半導体発光素子と、第１及び第２のトランジスタとを備え、
   前記半導体発光素子のアノードはバイアス電流の供給端子に接続され、
   前記第１のトランジスタは、前記半導体発光素子のアノードに接続された第１の電流端子と、前記半導体発光素子のカソードに接続された第２の電流端子と、前記バイアス電流を変調するための変調信号の入力端子に前記第２のトランジスタを介して接続された第１の制御用端子とを有する、ことを特徴とする半導体レーザ駆動回路。
2. 前記第２のトランジスタは、前記半導体発光素子のアノードに接続された第３の電流端子と、前記第１のトランジスタの前記第１の制御用端子に接続された第４の電流端子と、前記変調信号の入力端子に接続された第２の制御用端子とを有する、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. 容量素子を更に備え、
   前記容量素子を介して前記第１のトランジスタの前記第１の制御用端子と前記第２のトランジスタの前記第２の制御用端子とが接続されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ駆動回路。
   

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