JP2012151244A - 光送信回路 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比して更なる低消費電力化が可能な光送信回路を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る光送信回路１は、共通のカソードを有するレーザダイオード１１及び電界吸収型光変調器１２が一体に集積された光半導体素子１０であって、共通のカソードはグランド電位に接続されており、レーザダイオード１１及び電界吸収型光変調器１２はグランド電位を基準として互いに逆方向のバイアス電位で駆動される、当該光半導体素子１０と、一方の出力がキャパシタ４１を介して電界吸収型光変調器１２のアノードに接続されており、他方の出力がキャパシタ４２を介して電界吸収型光変調器１２のカソードに接続されている差動型の駆動回路２０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザダイオードと電界吸収型光変調器が一体に集積された光半導体素子を含む光送信回路に関するものである。

光通信では、レーザダイオード（以下、「ＬＤ」）の光出力を変調するために、ＬＤと一体に集積された電界吸収型光変調器（以下、「ＥＡ変調器」）を使用することがある。この場合、光信号を出力する光送信回路は、ＬＤ及びＥＡ変調器からなる光半導体素子と、ＬＤ及びＥＡ変調器を駆動するための回路を含むことになる。

ＥＡ変調器の駆動方式には様々なものがある。例えば、特許文献１〜３では、ＬＤとＥＡ変調器に共通のカソードがグランド電位又はグランド電位とは異なる電位に接続されており、駆動回路はＥＡ変調器のアノードに直流的に接続されている（ＤＣ結合）。この種の駆動方式を採用する光送信回路の一例を図７に示す。図７に示す光送信回路１Ｘでは、光半導体素子１０におけるＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードがグランド電位とは異なる電位、例えば駆動回路用電源電位７に接続されており、駆動回路２０がＥＡ変調器１２のアノードに直流的に接続されている。なお、ＬＤ１１のアノードには、ＬＤ用電源電位６に接続された電流源３５からバイアス電流が供給されている。

図８に、図７に示す光送信回路１Ｘにおける各ノードの電位の関係（ＬＤ１１のアノードの電位ａ、ＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードの電位ｂ、及び、ＥＡ変調器１２のアノードの電位ｃ）を示す。このように、駆動回路２０がＥＡ変調器１２に直流的に接続されている場合、ＥＡ変調器を２Ｖｐ−ｐで変調するものとすると、駆動回路用電源電位７を５Ｖにする必要があり、ＬＤ用電源電位６を８Ｖにする必要がある。このように、駆動回路用電源電位７及びＬＤ用電源電位６が高いと、これらの電源電位６、７を生成するための昇圧回路の消費電力が大きいという問題があった。

この問題点を解決するための一手法は、特許文献２に開示されている。特許文献２では、ＬＤとＥＡ変調器に共通のカソードがグランド電位に接続されており、グランド電位を基準として互いに逆方向のバイアス電位でＬＤとＥＡ変調器が駆動されている。この種の駆動方式を採用する光送信回路の一例を図９に示す。図９に示す光送信回路１Ｙでは、光半導体素子１０におけるＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードがグランド電位５に接続されており、駆動回路２０がＥＡ変調器１２のアノードにキャパシタ４１を介して交流的に接続されている（ＡＣ結合）。なお、駆動回路２０の反転出力は終端抵抗４５によってグランド電位にキャパシタ４２を介して交流的に終端されており、駆動回路２０の差動出力はそれぞれインダクタ４３、４４によって駆動回路用電源電位７にプルアップされている。そして、ＬＤ１１のアノードには、ＬＤ用の正の電源電位６に接続された電流源３５からバイアス電流が供給されており、ＥＡ変調器１２のアノードには、負バイアス回路３６からの負のバイアス電位がインダクタ３３を介して供給されている。

図１０に、図９に示す光送信回路１Ｙにおける各ノードの電位の関係（ＬＤ１１のアノードの電位ａ、ＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードの電位ｂ、及び、ＥＡ変調器１２のアノードの電位ｃ）を示す。このように、ＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードをグランド電位に接続し、グランド電位を基準として互いに逆方向のバイアス電位でＬＤ１１とＥＡ変調器１２を駆動する場合、ＬＤ用電源電位６を２Ｖに低減することができる。更に、駆動回路２０がＥＡ変調器１２に交流的に接続される場合、駆動回路用電源電位７を３．３Ｖに低減することができる。その結果、これらの電源電位６、７を生成するための昇圧回路の消費電力を低減することができる。

特開平０７−０７４４２０号公報 特開２００３−２９８１７５号公報 特開平０８−３１６５８０号公報

近年、更なる低消費電力化の要求がある。しかしながら、様々な理由により、更なる低消費電力化が困難である。第１の理由は、ＬＤ１１及びＬＤ駆動用電流源３５を安定して動作させるために、ＬＤ用電源電位６を２Ｖより下げることができないことである。第２の理由は、十分な消光特性を得るために、ＥＡ変調器１２では変調信号として２Ｖｐ−ｐ程度の大振幅が必要であり、差動型の駆動回路２０では電源電位７を３．３Ｖより下げることができないことである。

そこで、本発明は、従来に比して更なる低消費電力化が可能な光送信回路を提供することを目的としている。

本発明の光送信回路は、共通のカソードを有するレーザダイオード及び電界吸収型光変調器が一体に集積された光半導体素子であって、共通のカソードはグランド電位に接続されており、レーザダイオード及び電界吸収型光変調器はグランド電位を基準として互いに逆方向のバイアス電位で駆動される、当該光半導体素子と、一方の出力がキャパシタを介して電界吸収型光変調器のアノードに接続されており、他方の出力がキャパシタを介して電界吸収型光変調器のカソードに接続されている差動型の駆動回路と、を備える。

この光送信回路によれば、電界吸収型光変調器を差動駆動するので、駆動回路の差動出力における片相の出力電圧振幅を、電界吸収型光変調器を駆動するために必要な変調電圧振幅の半分とすることができ、その結果、駆動回路の消費電力を低減することができる。

ところで、従来、２Ｖｐ−ｐ程度の大振幅を得るために、ＧａＡｓやＩｎＰ等の半導体材料を用いた高価な駆動回路を採用する必要があった。しかしながら、この光送信回路によれば、駆動回路の出力電圧振幅を半分の１Ｖｐ−ｐ程度に低減できるので、安価なＳｉやＳｉＧｅ等の半導体材料を用いる駆動回路を使用することが可能となる。その結果、低価格化も実現可能である。

本発明の別の光送信回路は、共通のカソードを有するレーザダイオード及び電界吸収型光変調器が一体に集積された光半導体素子であって、共通のカソードはグランド電位に接続されており、レーザダイオード及び電界吸収型光変調器はグランド電位を基準として互いに逆方向のバイアス電位で駆動される、当該光半導体素子と、一方の出力がキャパシタを介して電界吸収型光変調器のアノードに接続されており、他方の出力がキャパシタを介してレーザダイオードのアノードに接続されている差動型の駆動回路と、を備える。

この別の光送信回路でも、電界吸収型光変調器を差動駆動するので、駆動回路の差動出力における出力電圧振幅を、電界吸収型光変調器を駆動するために必要な変調電圧振幅の半分とすることができ、その結果、駆動回路の消費電力を低減することができる。また、安価なＳｉやＳｉＧｅ等の半導体材料を用いる駆動回路を使用することが可能となり、低価格化も実現可能である。

上記した光半導体素子は、レーザダイオードに並列に接続されたキャパシタを更に有することが好ましい。

この構成によれば、レーザダイオードに並列に接続されたキャパシタによって、レーザダイオードの直接変調によるチャープの増加を抑え、伝送特性の劣化を防ぐことができる。

本発明によれば、光送信回路において、従来に比して更なる低消費電力化が可能である。

本発明の第１の実施形態に係る光送信回路の構成を示す回路図である。 図１に示す光送信回路における各ノードの電位の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光送信回路の構成を示す回路図である。 図３に示す光送信回路における各ノードの電位の関係を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る光送信回路の構成を示す回路図である。 図５に示す光送信回路における各ノードの電位の関係を示す図である。 従来の光送信回路の一例の構成を示す回路図である。 図７に示す光送信回路における各ノードの電位の関係を示す図である。 従来の光送信回路の別の一例の構成を示す回路図である。 図９に示す光送信回路における各ノードの電位の関係を示す図である。

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。
［第１の実施形態］

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光送信回路の構成を示す回路図である。図１に示す光送信回路１は、光半導体素子１０と、当該光半導体素子１０を駆動する駆動回路２０とを備える。

光半導体素子１０は、レーザダイオード（以下、ＬＤという。）１１と電界吸収型光変調器（以下、ＥＡ変調器という。）１２とを有する。ＬＤ１１は、ある一定の強度のレーザ光を生成し、ＥＡ変調器１２に供給する。ＥＡ変調器１２は、駆動回路２０からの変調信号に応じてそのレーザ光を変調し、出力レーザ光を生成する。

この光半導体素子１０では、ＬＤ１１とＥＡ変調器１２とが単一の半導体基板上に集積され、一体化されている。基板の下面には、ＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードが設けられており、そのカソードはインダクタ３１を介してグランド電位５に接続されている。

ＬＤ１１とＥＡ変調器１２は、共通電位であるグランド電位を基準として互いに逆方向にバイアス駆動される。すなわち、ＬＤ１１のアノードには、ＬＤ用の正のバイアス電源電位６に接続された電流源３５からのバイアス電流がインダクタ３２を介して供給される。一方、ＥＡ変調器１２のアノードには、負バイアス回路３６によって生成される負のバイアス電位がインダクタ３３を介して供給される。なお、ＥＡ変調器１２のアノード−カソード間には、駆動回路２０に対する終端抵抗１３が接続されている。

駆動回路２０は、ＥＡ変調器１２に変調信号を供給する。駆動回路２０は、差動型の駆動回路であり、ＥＡ変調器１２を差動駆動する。駆動回路２０の一方の出力は、ＥＡ変調器１２のアノードにキャパシタ４１を介して交流的に接続されており、他方の出力は、ＥＡ変調器１２のカソードにキャパシタ４２を介して交流的に接続されている。すなわち、駆動回路２０は、ＥＡ変調器１２にＡＣ結合されており、かつ、ＥＡ変調器１２を差動駆動する。

この第１の実施形態の光送信回路１によれば、ＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードをグランド電位５に接続し、グランド電位５を基準として互いに逆方向のバイアス電位でＬＤ１１とＥＡ変調器１２を駆動するので、ＬＤ用電源電位６を例えば２Ｖまで低減することができる。更に、駆動回路２０がＥＡ変調器１２に交流的に接続されているので、駆動回路用電源電位７を例えば３．３Ｖまで低減することができる。その結果、これらの電源電位６、７を生成するための昇圧回路の消費電力を低減することができる。

更に、第１の実施形態の光送信回路１によれば、ＥＡ変調器１２を差動駆動するので、駆動回路２０の差動出力における片相の出力電圧振幅を、ＥＡ変調器１２を駆動するために必要な変調電圧振幅２Ｖｐ−ｐの半分にすることができ、その結果、駆動回路２０の消費電力を低減することができる。この利点について、図２を参照して詳細に説明する。

図２（ａ）は、図１に示す光送信回路１における各ノードの電位の関係（ＬＤ１１のアノードの電位ａ、ＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードの電位ｂ、及び、ＥＡ変調器１２のアノードの電位ｃ）を示す図であり、図２（ｂ）は、ノード電位ｂを基準として、図２（ａ）の各ノードの電位ａ，ｂ，ｃをそれぞれ変換したノード電位ａ’，ｂ’，ｃ’を示す図である。

図２に示すように、第１の実施形態の光送信回路１によれば、ＥＡ変調器１２を差動駆動するので、駆動回路２０の差動出力における片相の出力電圧振幅を、ＥＡ変調器１２を駆動するために必要な変調電圧振幅２Ｖｐ−ｐの半分の１Ｖｐ−ｐとすることができる。

ところで、従来、２Ｖｐ−ｐ程度の大振幅を得るためには、ＧａＡｓやＩｎＰ等の半導体材料を用いた高価な駆動回路を採用する必要があった。しかしながら、この第１の実施形態の光送信回路１によれば、駆動回路２０の出力電圧振幅を１Ｖｐ−ｐ程度に低減できるので、安価なＳｉやＳｉＧｅ等の半導体材料を用いる駆動回路を使用することが可能となる。その結果、低価格化も実現可能である。

また、駆動回路２０の片相の出力電圧振幅を１Ｖｐ−ｐに低減することにより、図９に示す駆動回路２０の出力のプルアップ素子４３、４４を省くことができ、その結果、実装密度を抑えることも可能である。

あるいは、プルアップ素子４３、４４を設ける場合、駆動回路用電源電位７を３．３Ｖ以下、例えば２．５Ｖや１．８Ｖに下げることが可能となる。その結果、安価なＣＭＯＳデバイスや、ＳｉＧｅ等の半導体材料を用いる駆動回路を使用することが可能となり、低価格化も実現可能である。
［第２の実施形態］

図３は、本発明の第２の実施形態に係る光送信回路の構成を示す回路図である。図３に示す光送信回路１Ａは、光送信回路１において光半導体素子１０に代えて光半導体素子１０Ａを備える構成で第１の実施形態と異なる。光送信回路１Ａのその他の構成要素は、光送信回路１と同一である。

光半導体素子１０Ａは、光半導体素子１０においてキャパシタ１４を更に備える。キャパシタ１４は、ＬＤ１１のアノード−カソード間に接続されている。

この第２の実施形態の光送信回路１Ａでも、第１の実施形態の光送信回路１と同一の利点を得ることができる。

更に、第２の実施形態の光送信回路１Ａによれば、キャパシタ１４がＬＤ１１に並列に接続されているので、ＬＤ１１の直接変調によるチャープの増加を抑え、伝送特性の劣化を防ぐことができる。この利点について、図２、４を参照して詳細に説明する。

図４（ａ）は、図３に示す光送信回路１Ａにおける各ノードの電位の関係（ＬＤ１１のアノードの電位ａ、ＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードの電位ｂ、及び、ＥＡ変調器１２のアノードの電位ｃ）を示す図であり、図４（ｂ）は、ノード電位ｂを基準として、図４（ａ）の各ノードの電位ａ，ｂ，ｃをそれぞれ変換したノード電位ａ’，ｂ’，ｃ’を示す図である。

まず、図２（ｂ）を参照すると、第１の実施形態の光送信回路１では、ＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードに変調信号を供給するために、ＬＤ１１のアノード−カソード間の電圧（ａ’−ｂ’）に変調成分が加わり、ＬＤを直接変調してしまう可能性がある。

しかしながら、図４（ｂ）に示すように、第２の実施形態の光送信回路１Ｂによれば、キャパシタ１４によってＬＤ１１のアノード−カソード間の電圧（ａ’−ｂ’）の変調成分を低減し、ＬＤ１１の直接変調を低減することができる。
［第３の実施形態］

図５は、本発明の第３の実施形態に係る光送信回路の構成を示す回路図である。図５に示す光送信回路１Ｂは、光送信回路１Ａにおいて光半導体素子１０Ａと駆動回路２０との接続関係が異なる点で第２の実施形態と異なる。すなわち、駆動回路２０の一方の出力は、ＥＡ変調器１２のアノードにキャパシタ４１を介して交流的に接続されており、他方の出力は、ＥＡ変調器１２のカソードに代えて、ＬＤ１１のアノードにキャパシタ４２を介して交流的に接続されている。

また、光送信回路１Ｂは、光半導体素子１０Ａの外部に、ＬＤ１１のアノード−カソード間に接続される大容量のキャパシタ３７を更に備える点で第２の実施形態と異なる。光送信回路１Ｂのその他の構成は、光送信回路１Ａと同一である。

なお、図６（ａ）に、図５に示す光送信回路１Ｂにおける各ノードの電位の関係（ＬＤ１１のアノードの電位ａ、ＬＤ１１とＥＡ変調器１２に共通のカソードの電位ｂ、及び、ＥＡ変調器１２のアノードの電位ｃ）を示し、図６（ｂ）に、ノード電位ｂを基準として、図６（ａ）の各ノードの電位ａ，ｂ，ｃをそれぞれ変換したノード電位ａ’，ｂ’，ｃ’を示す。

この第３の実施形態の光送信回路１Ｂでも、ＥＡ変調器１２を差動駆動することとなるので、駆動回路２０の差動出力における片相の出力電圧振幅を、ＥＡ変調器１２を駆動するために必要な変調電圧振幅の半分とすることができ、その結果、駆動回路２０の消費電力を低減することができる。また、安価なＳｉやＳｉＧｅ等の半導体材料を用いる駆動回路を使用することが可能となり、低価格化も実現可能である。

また、第３の実施形態の光送信回路１Ｂでも、キャパシタ１４がＬＤ１１に並列に接続されているので、ＬＤ１１の直接変調によるチャープの増加を抑え、伝送特性の劣化を防ぐことができる。

ところで、ＬＤ１１を介してＥＡ変調器１２を駆動すると、ＬＤ１１の直接変調によるチャープの増加が顕著である可能性がある。しかしながら、第３の実施形態の光送信回路１Ｂによれば、光半導体素子１０Ａの外部に設けられた大容量のキャパシタ３７によって、ＬＤ１１の直接変調によるチャープの増加をより抑制することができる。

なお、この場合、大容量のキャパシタ３７を考慮したインピーダンスマッチングを行うことが好ましい。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｘ，１Ｙ…光送信回路、５…グランド電位、６…ＬＤ用電源電位、７…駆動回路用電源電位、１０，１０Ａ…光半導体素子、１１…レーザダイオード（ＬＤ）、１２…電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）、１３，４５…終端抵抗、１４…キャパシタ、２０…駆動回路、３１，３２，３３，４３，４４…インダクタ、３５…電流源、３６…負バイアス回路、３７，４１，４２…キャパシタ。

Claims (3)

1. 共通のカソードを有するレーザダイオード及び電界吸収型光変調器が一体に集積された光半導体素子であって、前記共通のカソードはグランド電位に接続されており、前記レーザダイオード及び前記電界吸収型光変調器は前記グランド電位を基準として互いに逆方向のバイアス電位で駆動される、当該光半導体素子と、
   一方の出力がキャパシタを介して前記電界吸収型光変調器のアノードに接続されており、他方の出力がキャパシタを介して前記電界吸収型光変調器のカソードに接続されている差動型の駆動回路と、
   を備える、光送信回路。
2. 共通のカソードを有するレーザダイオード及び電界吸収型光変調器が一体に集積された光半導体素子であって、前記共通のカソードはグランド電位に接続されており、前記レーザダイオード及び前記電界吸収型光変調器は前記グランド電位を基準として互いに逆方向のバイアス電位で駆動される、当該光半導体素子と、
   一方の出力がキャパシタを介して前記電界吸収型光変調器のアノードに接続されており、他方の出力がキャパシタを介して前記レーザダイオードのアノードに接続されている差動型の駆動回路と、
   を備える、光送信回路。
3. 前記光半導体素子は、前記レーザダイオードに並列に接続されたキャパシタを更に有する、
   請求項１又は２に記載の光送信回路。

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