JP2013084839A

JP2013084839A - 半導体レーザー駆動回路及び半導体レーザー装置

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Publication number: JP2013084839A
Application number: JP2011224857A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Nakajima; 勝也中島; Yoshifumi Miyajima; 良文宮島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-05-09
Also published as: CN103050885A; US20130094530A1; US8953654B2

Abstract

【課題】バイアスティーのような外付けの部品を用いずとも低電圧で高速動作ができる半導体レーザー駆動回路を提供する。
【解決手段】入力端子から入力される入力信号に基づき、出力端子に接続された半導体レーザーダイオードに駆動電流を供給することで前記半導体レーザーダイオードを制御する半導体レーザー駆動回路であって、バイアス電流、及び前記入力信号の第１周波数以下の周波数成分を有する第１供給信号を供給する第１供給部と、前記入力信号の第２周波数より大きい周波数成分を有する第２供給信号を供給する第２供給部と、を備える半導体レーザー駆動回路。
【選択図】図４

Description

本開示は、半導体レーザー駆動回路及び半導体レーザー装置に関する。

近年、光通信の高速化が急速に進んでおり、すでにギガｂ／ｓの光通信システムが実用化されている。高速光通信システムの短波長光トランシーバー用の光源として、ＶＣＳＥＬ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）などの半導体レーザーダイオードが用いられている。

半導体レーザーダイオードは、半導体レーザー駆動回路によって制御される。半導体レーザー駆動回路は、半導体レーザーダイオードに供給する駆動電流の大きさによって半導体レーザーダイオードを制御することで、２値のデジタルデータを表現している。通常、半導体レーザー駆動回路は、データ「１」を表現する場合に大きな駆動電流Ｉ１を、データ「０」を表現する場合に小さな駆動電流Ｉ０を半導体レーザーダイオードに供給する。

半導体レーザー駆動回路が半導体レーザーダイオードに大きな駆動電流Ｉ１を供給した場合、半導体レーザーダイオードの両端にはＶ１の電圧が生じている。電圧Ｖ１は温度等の環境によっても変化するが、２．４Ｖ程度まで上昇することがある。従って、半導体レーザー駆動回路には、半導体レーザーダイオードに２．４Ｖ程度の電圧を印可できる構成が必要となり、半導体レーザー駆動回路の低電圧化又は高速化の妨げとなっていた。

そこで、特許文献１に開示されるレーザーダイオード駆動回路は、駆動電流Ｉ１，Ｉ０をバイアス電流とスイッチング部で生成される変調電流とにわけて、半導体レーザーダイオードに供給している。これにより、変調電流を生成するスイッチング部のトランジスタが飽和状態となることなく、レーザーダイオード駆動回路は低電圧でも高速動作が可能となる。

特開平１１−３４０５６１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるレーザーダイオード駆動回路では、バイアス電流と変調電流とをわけて半導体レーザーダイオードに供給するために、バイアスティーや容量素子といった外付けの部品が必要となる。外付けの部品が必要となることは、レーザーダイオード駆動回路のオンチップ化の妨げとなってしまう。

また、近年、半導体レーザーダイオードをアレイ状に複数配置した半導体レーザー装置が知られている。このような半導体レーザー装置は、半導体レーザーダイオードが例えば２５０ｕｍという狭いピッチで配列されている。半導体レーザー装置には、各半導体レーザーダイオードを駆動するためのレーザーダイオード駆動回路がそれぞれ設けられる。バイアスティーや容量素子といった外付けの部品はレーザーダイオード駆動回路毎に必要となるため、半導体レーザー装置が大型化してしまうという問題がある。また外付けの部品は部品コストが高く、外付けの部品点数が多いと半導体レーザー装置の製造コストが高くなってしまう。

本開示は、上述の点を鑑みてなされたものであり、バイアスティーのような外付けの部品を用いずとも低電圧で高速動作が可能なレーザーダイオード駆動回路及び半導体レーザー装置を提供するものである。

本開示に係る半導体レーザー駆動回路は、入力端子から入力される入力信号に基づき、出力端子に接続された半導体レーザーダイオードに駆動電流を供給することで前記半導体レーザーダイオードを制御する半導体レーザー駆動回路であって、バイアス電流、及び前記入力信号の第１周波数以下の周波数成分を有する第１供給信号を供給する第１供給部と、前記入力信号の第２周波数より大きい周波数成分を有する第２供給信号を供給する第２供給部と、を備える。

本開示に係る半導体レーザー装置は、半導体レーザーダイオードと、入力端子から入力される入力信号に基づき、出力端子に接続された前記半導体レーザーダイオードに駆動電流を供給することで前記半導体レーザーダイオードを制御する半導体レーザー駆動回路と、を備え、前記半導体レーザー駆動回路は、バイアス電流、及び前記入力信号の第１周波数以下の周波数成分を有する第１供給信号を供給する第１供給部と、前記入力信号の第２周波数より大きい周波数成分を有する第２供給信号を供給する第２供給部と、を備える。

本開示によれば、バイアスティーのような外付けの部品を用いずとも低電圧で高速動作が可能となる。

第１実施形態に係る半導体レーザー装置を示す図。第１実施形態に係る半導体レーザーダイオードのＩ−Ｖ特性を示す図。第１実施形態に係る半導体レーザー駆動回路を示す図。第１実施形態に係る半導体レーザー駆動回路の詳細を示す図。第１実施形態に係るカレントミラー回路及び第１容量素子で構成されるローパスフィルタの入出力特性を示すグラフ。第１実施形態に係る第２供給部及び半導体レーザーダイオードの微少信号解析での等価回路を示す図。第１実施形態に係る第２供給部のハイパスフィルタの入出力特性を示すグラフ。第１実施形態に係る半導体レーザー駆動回路の入出力特性を示すグラフ。第１実施形態に係る半導体レーザー駆動回路の入出力特性を示すグラフ。第１実施形態に係る半導体レーザー駆動回路の入出力特性を示すグラフ。第１実施形態に係る半導体レーザー駆動回路の一例を示す図。第１実施形態に係る半導体レーザー駆動回路の他例を示す図。第２実施形態に係る半導体レーザー装置を示す図。第２実施形態に係る半導体レーザー駆動回路の詳細を示す図。第２実施形態に係る第１信号及び第２信号を示す図。第２実施形態に係る半導体レーザー駆動回路のシミュレーション結果を示す図。第２実施形態に係る半導体レーザー駆動回路のシミュレーション結果を示す図。第２実施形態に係る半導体レーザー駆動回路のシミュレーション結果を示す図。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体レーザー装置１を示す図である。半導体レーザー装置１は、半導体レーザーダイオード２００と、半導体レーザーダイオード２００を駆動する半導体レーザー駆動回路１００を備えている。半導体レーザーダイオード２００は、アノードが半導体レーザー駆動回路１００に接続され、カソードが接地されている。

半導体レーザー駆動回路１００は、半導体レーザーダイオード２００に駆動電流Iを供給することで、半導体レーザーダイオード２００を駆動する。半導体レーザー駆動回路１００が供給する駆動電流について図２を用いて説明する。

図２は、半導体レーザーダイオード２００のＩ−Ｖ特性を示す図である。半導体レーザーダイオード２００に流れる電流が発振閾値Ｉｔｈ以上となる領域では、Ｉ−Ｖ特性は、傾きが略一定で略直線となり、オームの法則に従う。半導体レーザー駆動回路１００は、第１の駆動電流Ｉ０と第２の駆動電流Ｉ１のいずれか一方を半導体レーザーダイオード２００に供給する。半導体レーザー駆動回路１００は、データ「１」を表現する場合に大きな駆動電流Ｉ１を、データ「０」を表現する場合に小さな駆動電流Ｉ０を半導体レーザーダイオード２００に供給する。

図２に示すように、半導体レーザーダイオード２００に駆動電流Ｉ０が供給されると、半導体レーザーダイオード２００には電圧Ｖ０が発生する。半導体レーザーダイオード２００に駆動電流Ｉ１が供給されると、半導体レーザーダイオード２００には電圧Ｖ１が発生する。上述したように、電圧Ｖ１は、２．４Ｖ程度まで上昇することがある。半導体レーザーダイオード２００を高速で駆動させるために半導体レーザー駆動回路１００を低耐圧のトランジスタで構成すると、トランジスタが電圧Ｖ１（約２．４Ｖ）に耐えられず壊れてしまう恐れがある。また、トランジスタが壊れないよう高耐圧のトランジスタで半導体レーザー駆動回路１００を構成すると、半導体レーザー装置１を高速に駆動できなくなってしまう。

そこで、本実施形態に係る半導体レーザー駆動回路１００では、駆動電流Ｉをバイアス電流ＩＢ及び変調電流にわけるとともに、変調電流を第１周波数ｆ１以下の周波数成分を有する低周波電流ＩＬと第１周波数より大きい周波数成分を有する高周波電流ＩＨとにわける。半導体レーザー駆動回路１００は、バイアス電流ＩＢに低周波電流ＩＬを重畳した第１駆動電流Ｉａ及び高周波電流ＩＨをそれぞれ半導体レーザーダイオード２００に供給する。

図３を用いて、本実施形態に係る半導体レーザー装置１を説明する。半導体レーザー装置１は、半導体レーザー駆動回路１００と、半導体レーザーダイオード２００を有する。

半導体レーザー駆動回路１００は、データ「０，１」を示す入力信号が入力される入力端子１１０と、半導体レーザーダイオード２００に接続され、駆動電流Ｉを出力する出力端子１２０を有する。半導体レーザー駆動回路１００は、半導体レーザーダイオード２００にバイアス電流及び低周波電流ＩＬを供給する第１供給部１３０と、半導体レーザーダイオード２００に高周波電流ＩＨを供給する第２供給部１４０を有する。

第１供給部１３０は第１電源電位Ｖｄｄ１に接続されている。第２供給部１４０は第２電源電位Ｖｄｄ２に接続されている。第１電源電位Ｖｄｄ１は、第２電源電位Ｖｄｄ２より高い（Ｖｄｄ１＞Ｖｄｄ２）。

図４を用いて半導体レーザー駆動回路１００の詳細について説明する。半導体レーザー駆動回路１００の第１供給部１３０は、トランジスタＭ１１及びトランジスタＭ１２を有するカレントミラー回路１１１と、一端が第１電源電位Ｖｄｄ１に接続され他端がカレントミラー回路１１１に接続された第１容量素子Ｃ１と、バイアス電流ＩＢを生成する電流源１１２と入力信号を受ける前段回路１１３を備える。

カレントミラー回路は、ソース端子が第１電源電位Ｖｄｄ１に接続され、ドレイン端子が電流源１１２に接続されたトランジスタＭ１１と、ソース端子が第１電流源Ｖｄｄ１に接続され、ドレイン端子が出力端子１２０に接続されたトランジスタＭ１２を有する。トランジスタＭ１１，Ｍ１２のゲート端子は、トランジスタＭ１１のドレイン端子に接続されている。

カレントミラー回路１１１が有するトランジスタＭ１１，Ｍ１２は、いずれもＰＭＯＳ型トランジスタであり、半導体レーザーダイオード２００の両端に印可される高い電圧Ｖ１にも耐えられる高耐圧のトランジスタである。トランジスタＭ１１，Ｍ１２は、低耐圧のトランジスタに比べ駆動速度が遅い。

第１容量素子Ｃ１は、一端が第１電源電位Ｖｄｄ１に接続され、他端がトランジスタＭ１１，Ｍ１２のゲート端子に接続される。第１容量素子Ｃ１の容量値は、後述するように第１周波数ｆ１に応じて決定されるが、数１０ｐＦ以下である。第１容量素子Ｃ１は、外付けの部品ではなくＩＣチップ内の半導体素子として実現できる。

電流源１１２は、一端がトランジスタＭ１１のドレイン端子に接続され、他端が接地されている。電流源１１２は、バイアス電流ＩＢを生成する。バイアス電流ＩＢは、カレントミラー回路１１１を介して半導体レーザーダイオード２００に供給される。

前段回路１１３は、一端が入力端子１１０に接続され、他端がトランジスタＭ１１のドレイン端子に接続されている。前段回路１１３は、入力端子１１０を介して入力される入力信号をカレントミラー回路１１１に出力する。

詳細は後述するが、本実施形態に係る半導体レーザー駆動回路１００は、カレントミラー回路１１１及び第１容量素子Ｃ１とでローパスフィルタＬＰＦを構成している。このカレントミラー回路１１１及び第１容量素子Ｃ１とで構成されるＬＰＦによって、入力信号から第１周波数ｆ１以下の信号成分を有する低周波電流ＩＬが生成される。第１供給部１３０は、ＬＰＦで生成される低周波電流ＩＬ及び電流源１１２で生成されるバイアス電流ＩＢを重畳して半導体レーザーダイオードに供給する。ここで、低周波電流ＩＬとは、入力信号の第１周波数ｆ１以下の周波数成分を有する第１供給信号のことである。

第２供給部１４０は、駆動回路１２１と第２容量素子Ｃ２とを有する。駆動回路１２１は、一端が入力端子１１０に接続されており、入力信号を受けて第２容量素子Ｃ２に出力する。駆動回路１２１は、第２電源電位Ｖｄｄ２に接続されており、第２電源電位Ｖｄｄ２から、第１電源電位Ｖｄｄ１より小さい電源電圧の供給を受けて動作する。

第２容量素子Ｃ２は、一端が駆動回路１２１に接続され、他端が出力端子１２０に接続される。第２容量素子Ｃ２は、数１０ｐＦ以下の容量値をもつ。容量値は、第１周波数ｆ１によって決定される。第２容量素子Ｃ２は、外付けの部品ではなくＩＣチップ内の半導体素子として実現できる。

入力信号は、駆動回路１２１から第２容量素子Ｃ２を通過することで第２周波数ｆ２以上の周波数成分を有する高周波電流ＩＨに変換される。高周波電流ＩＨは、出力端子１２０から半導体レーザーダイオード２００に供給される。

第２供給部１４０に入力された入力信号は、駆動回路１２１及び第２容量素子Ｃ２を介して半導体レーザーダイオード２００に供給される。第２容量素子Ｃ２をＩＣチップ内に設けているため、第２容量素子Ｃ２の容量値は上述したように大きくても数１０ｐＦ程度が限界となる。第２容量素子Ｃ２を外付けの部品とした場合、第２容量素子Ｃ２の容量値は数１０ｎＦ以上とすることができる。

第２容量素子Ｃ２が外付けの部品であった場合のように第２容量素子Ｃ２の容量値が十分に大きい場合、入力信号の低周波成分（低周波電流ＩＬ）は第２供給部１４０を通過することができる。しかしながら、本実施形態のように、ＩＣチップ内に第２容量素子Ｃ２を設けるために第２容量素子Ｃ２の容量値を小さくすると、入力信号の低周波成分（低周波電流ＩＬ）は第２供給部１４０で遮断されてしまい、高周波成分（高周波電流ＩＨ）が第２供給部１４０を介して半導体レーザーダイオードに供給される。ここで、高周波電流ＩＨとは、入力信号の第２周波数ｆ２より大きい周波数成分を有する第２供給信号のことである。

単にバイアス電流と駆動電流とをわけて半導体レーザーダイオードに供給する場合、駆動電流に含まれる低周波成分（低周波電流ＩＬ）を遮断せずに半導体レーザーダイオード２００に供給するために、第２供給部に用いる第２容量素子Ｃ２を外付けの部品で実現する方法が考えられる。この場合、半導体レーザー駆動回路１００に外付けの部品が必要となるため、半導体レーザー駆動回路１００の小型化、１チップ化が難しくなってしまう。

そこで、本実施形態では、第２供給部１４０で減衰した入力信号の低周波成分を第１供給部１３０からバイアス電流ＩＢとともに半導体レーザーダイオード２００に供給することで、ＩＣチップに内蔵できる容量値の容量素子を用いても低周波成分及び高周波成分を含む入力信号を半導体レーザーダイオード２００に供給することができる。また、第１供給部１３０のカレントミラー回路１１１に第１容量素子Ｃ１を追加することでＬＰＦを実現している。これにより、第１供給部１３０に新たにＬＰＦを設ける場合に比べ、回路規模を大きくすることなく外付けの部品を減らすことができる。

次に、図４に示すカレントミラー回路１１１及び第１容量素子Ｃ１で構成されるＬＰＦについて説明する。カレントミラー回路１１１が有するトランジスタＭ１１，Ｍ１２のコンダクタンスｇｍ１１，ｇｍ１２及びゲート容量Ｃ１１，Ｃ１２とすると、ＬＰＦのカットオフ周波数は、トランジスタＭ１１のコンダクタンスｇｍ１１、ゲート容量Ｃ１１，Ｃ１２、及び第１容量素子Ｃ１の容量値Ｃ１で決定される。具体的には、ゲート容量Ｃ１１，Ｃ１２、第１容量素子Ｃ１の容量値Ｃ１を合わせた合成容量をＣ３とすると、カットオフ周波数、すなわち第１周波数ｆ１は、ｆ１＝ｇｍ１１／（２π・Ｃ３）となる。カレントミラー回路１１１及び第１容量素子Ｃ１で構成されるＬＰＦは、第１周波数ｆ１＝ｇｍＣ１１／（２π・Ｃ３）以下の周波数成分を有する信号（低周波電流ＩＬ）を通過させ、それ以外の信号を遮断する。

図５は、カレントミラー回路１１１及び第１容量素子Ｃ１で構成されるＬＰＦの入出力特性を示すグラフである。図５に示すようにカレントミラー回路１１１及び第１容量素子Ｃ１で構成されるＬＰＦは、トランジスタＭ１１，Ｍ１２のサイズがほぼ等しいとすると、第１周波数ｆ１以下の利得は約「１」であり、入力された信号をほぼそのまま出力する。第１周波数より大きい場合の利得は徐々に小さくなっており、第１周波数より大きい周波数成分の信号は、ＬＰＦを通過しにくい。

トランジスタＭ１１，Ｍ１２のゲート容量Ｃ１１，Ｃ１２及びコンダクタンスｇｍ１１，ｇｍ１２は、各トランジスタのサイズによって決定される。トランジスタのサイズは、設計上の制約をうけやすいが、第１容量素子Ｃ１の容量値Ｃ１を調整することで容易にＬＰＦのカットオフ周波数である第１周波数ｆ１を調整することができる。

次に、図６を用いて、第２供給部１４０が第２周波数ｆ２より大きい周波数成分を有する信号（高周波電流ＩＨ）を通過させ、それ以外の周波数成分を有する信号（低周波電流ＩＬ）を遮断する原理について説明する。図６は、第２供給部１４０及び半導体レーザーダイオード２００を含む回路の微少信号解析での等価回路を示す図である。

図６では、半導体レーザーダイオード２００の微分抵抗成分をＲ１で示している。半導体レーザーダイオード２００には、高周波電流ＩＨが流れる。駆動回路１２１は、抵抗成分Ｒ２及び電流源１２２で表現される。電流源１２２に流れるは入力信号に等しい。

ここで、図６からわかるように、電流源１１２に流れる電流Ｉ３から微分抵抗Ｒ１に流れる電流Ｉ１への伝達関数は、ｓＣ２・Ｒ２／（１＋ｓＣ２（Ｒ１＋Ｒ２））と表現できる。これは、１次のハイパスフィルタＨＰＦ型の伝達関数である。このＨＰＦ型の伝達関数のカットオフ周波数（第２周波数ｆ２）は、１／２πＣ２（Ｒ１＋Ｒ２）である。周波数が十分高い場合の伝達関数はＲ２／（Ｒ１＋Ｒ２）となる。第２供給部１４０に入力された入力信号は、１次のハイパスフィルタを通過することで、カットオフ周波数（第２周波数）ｆ２より小さい周波数成分の信号が遮断され、第２周波数以上の周波数成分の信号（高周波電流ＩＨ）が半導体レーザーダイオード２００に供給される。

図７は、１次のハイパスフィルタＨＰＦの入出力特性を示すグラフである。図７に示すように１次のハイパスフィルタＨＰＦは、第２周波数ｆ２より小さい場合の利得が徐々に小さくなっており、第２周波数より小さい周波数成分の信号は、ＨＰＦを通過しにくい。１次のハイパスフィルタＨＰＦは、第２周波数以上の利得が約「１」であり、入力された信号をほぼそのまま出力する。１次のハイパスフィルタＨＰＦは、周波数が第２周波数ｆ２からさらに大きくなると、また利得が「１」より小さくなってくる。これは、半導体レーザー駆動回路１００自体の帯域制限によるものであり、半導体レーザー駆動回路１００の回路構成によって利得が「１」より小さくなる周波数が決定される。

このように、半導体レーザー駆動回路１００に入力された入力信号は、第１供給部１３０及び第２供給部１４０それぞれから低周波電流ＩＬ及び高周波電流ＩＨにわかれて半導体レーザーダイオード２００に供給される。図８に示すように、半導体レーザー駆動回路１００の入出力特性は、第１供給部１３０のＬＰＦの入出力特性及び第２供給部１４０のＨＰＦの入出力特性を重ね合わせたものとなる。

図８に半導体レーザー駆動回路１００の入出力特性を示す。図８では、第１供給部１３０の入出力特性を一点鎖線で、第２供給部１４０の入出力特性を二点鎖線で、半導体レーザー駆動回路１００の入出力特性を実線で示している。図８には、第１供給部１３０のＬＰＦのカットオフ周波数である第１周波数ｆ１と、第２供給部１４０のＨＰＦのカットオフ周波数である第２周波数ｆ２とが等しい（ｆ１＝ｆ２）場合を示している。

図８に示すように、第１供給部１３０のＬＰＦのカットオフ周波数である第１周波数ｆ１と、第２供給部１４０のＨＰＦのカットオフ周波数である第２周波数ｆ２とが等しい（ｆ１＝ｆ２）場合、半導体レーザー駆動回路１００の入出力特性はほぼフラットとなる。従って、半導体レーザー駆動回路１００に入力された入力信号は、ほぼそのまま半導体レーザーダイオード２００に供給される。

図９及び図１０を用いて第１供給部１３０のＬＰＦのカットオフ周波数である第１周波数ｆ１と、第２供給部１４０のＨＰＦのカットオフ周波数である第２周波数ｆ２とが異なる場合について説明する。図９は、第１供給部１３０のカットオフ周波数ｆ１が第２供給部１４０のカットオフ周波数ｆ２より大きい場合を示す図である。図９に示すように、第１供給部１３０のカットオフ周波数ｆ１が第２供給部１４０のカットオフ周波数ｆ２より大きい場合、第１供給部１３０、第２供給部１４０ともにカットオフ周波数ｆ１，ｆ２付近の入力信号を半導体レーザーダイオード２００に供給してしまう。そのため、半導体レーザー駆動回路１００の入出力特性は、カットオフ周波数ｆ１，ｆ２付近で利得が「１」より大きくなってしまう。

図１０は、第１供給部１３０のカットオフ周波数ｆ１が第２供給部１４０のカットオフ周波数ｆ２より小さい場合を示す図である。図１０に示すように、第１供給部１３０のカットオフ周波数ｆ１が第２供給部１４０のカットオフ周波数ｆ２より小さい場合、第１供給部１３０、第２供給部１４０ともにカットオフ周波数ｆ１，ｆ２付近の入力信号を半導体レーザーダイオード２００に供給しにくくなる。そのため、半導体レーザー駆動回路１００の入出力特性は、カットオフ周波数ｆ１，ｆ２付近で利得が「１」より小さくなってしまう。

このように、第１供給部１３０のＬＰＦのカットオフ周波数である第１周波数ｆ１と、第２供給部１４０のＨＰＦのカットオフ周波数である第２周波数ｆ２とが異なると、半導体レーザー駆動回路１００の入出力特性はフラットではなくなり、カットオフ周波数ｆ１，ｆ２付近の入力信号が歪んで半導体レーザーダイオード２００に供給されてしまう。そこで、本実施形態では、第１供給部１３０のＬＰＦのカットオフ周波数である第１周波数ｆ１と、第２供給部１４０のＨＰＦのカットオフ周波数である第２周波数ｆ２とがほぼ等しくなるように、第１供給部１３０の第１容量素子Ｃ１の容量値を調整する。これにより、入力信号を第１供給部１３０と第２供給部１４０とにわけて半導体レーザーダイオード２００に供給しても、入力された入力信号とほぼ同じ信号波形の信号を半導体レーザーダイオード２００に供給することができる。

図１１を用いて、第１供給部１３０の前段回路１１３の一例、及び第２供給部１４０の駆動回路１２１の一例を説明する。図１１に示す半導体レーザー駆動回路１００には、差動入力信号が入力されるものとする。

前段回路１１３は、トランジスタＭ１５，１６、第１抵抗素子Ｒ３１、第２電流源１１４、トランジスタＭ２１を備える。
トランジスタＭ１５は、ドレイン端子が電流源１１２に、ソース端子が第２電流源１１４に、ゲート端子が入力端子１１０に接続されている。トランジスタＭ１５は、入力信号を増幅し、トランジスタＭ１１及びトランジスタＭ１２で構成されるカレントミラー回路１１１に増幅した入力信号を渡す。

トランジスタＭ１６は、ドレイン端子が第１抵抗素子Ｒ３１に、ソース端子が第２電流源１１４に、ゲート端子が入力端子１１０に接続されている。第２電流源１１４は、一端がトランジスタＭ１５，１６のソース端子に接続され、他端が接地されている。第１抵抗素子Ｒ３１は、一端が第２電源電位Ｖｄｄ２に接続され、他端がトランジスタＭ１６のドレイン端子に接続される。

トランジスタＭ２１は、ドレイン端子がカレントミラー回路１１１に、ソース端子がトランジスタＭ１５のドレイン端子及び電流源１１２に接続される。トランジスタＭ２１は、高耐圧であるが駆動速度が遅いトランジスタである。

トランジスタＭ１５，１６は、低耐圧であるが駆動速度が速いトランジスタである。トランジスタＭ１６は、第１抵抗素子Ｒ３１を介して第１電源電位Ｖｄｄ１より低い第２電源電位Ｖｄｄ２に接続される。一方、トランジスタＭ１５は、ドレイン端子がトランジスタＭ２１を介してカレントミラー回路１１１に接続される。

ここでトランジスタＭ１５が直接カレントミラー回路１１１に接続している場合を考える。カレントミラー回路１１１は、高耐圧のトランジスタで構成されており、第１電源電位Ｖｄｄ１に接続されている。従って、トランジスタＭ１５が直接カレントミラー回路１１１に接続されている場合、トランジスタＭ１５のドレイン端子には、第１電源電位Ｖｄｄ１からカレントミラー回路１１１の分だけ電圧降下した電圧が印可されることになる。トランジスタＭ１５のドレイン端子に耐圧以上の電圧が印可されると、トランジスタＭ１５が正常に動作しなくなってしまう。

そこで本実施形態では、トランジスタＭ１５とカレントミラー回路１１１との間に高耐圧のトランジスタＭ２１を設けている。トランジスタＭ２１のゲート端子に適切なバイアス電圧を印可することで、トランジスタＭ１５に印可される電圧を第１電源電位Ｖｄｄ１からトランジスタＭ１５の耐圧の範囲に電圧降下させることができる。このように前段回路１１３の出力段にトランジスタＭ２１を設けることで、前段回路１１３の増幅段を低耐圧のトランジスタＭ１５，１６で構成でき、前段回路１１３を低耐圧・高速に駆動させることができる。
図１１に示す前段回路は、差動の入力信号を単相の入力信号に変換してカレントミラー回路１１１に供給する。

次に、駆動回路１２１について説明する。駆動回路１２１は、トランジスタＭ１３，Ｍ１４、第２，第３抵抗素子Ｒ２２，Ｒ２３、第３電流源１２２を有する。
トランジスタＭ１３は、ドレイン端子が第２容量素子Ｃ２及び第２抵抗素子Ｒ２２に、ソース端子が第３電流源１２２に、ゲート端子が入力端子１１０に接続されている。
トランジスタＭ１４は、ドレイン端子が第３抵抗素子Ｒ２３に、ソース端子が第３電流源１２２に、ゲート端子が入力端子１１０に接続されている。
トランジスタＭ１３は、入力信号を増幅して第２容量素子Ｃ２に供給する。このように図１１に示す駆動回路１２１のトランジスタＭ１３，Ｍ１４は差動の入力信号を単相の信号に変換する。

第２抵抗素子Ｒ２２は、一端が第２電源電位Ｖｄｄ２に、他端がトランジスタＭ１３のドレイン端子に接続される。第３抵抗素子Ｒ２３は、一端が第２電源電位Ｖｄｄ２に、他端がトランジスタＭ１４のドレイン端子に接続される。
第３電流源１２２は、一端がトランジスタＭ１３，Ｍ１４に接続され、他端が接地されている。第３電流源１２２は、トランジスタＭ１３，Ｍ１４に電流を供給する。

駆動回路１２１のトランジスタＭ１３，Ｍ１４は、第２，第３抵抗素子Ｒ２２，Ｒ２３を介して第２電源電位Ｖｄｄ２に接続され、低耐圧ではあるが高速に駆動する。

図１１に示す駆動回路１２１は、いわゆるＣＭＬ（ＣｕｒｒｅｎｔＭｏｄｅＬｏｇｉｃ）型の回路である。ＣＭＬ型の駆動回路１２１は、高速に駆動し、出力波形が歪みにくく波形品質が高いという効果がある。一方、常に第３電流源１２２からバイアス電流を供給しているため、駆動回路１２１の消費電力が大きくなるという問題がある。また、ＣＭＬ型の駆動回路１２１の場合、回路の出力振幅が大きいとトランジスタＭ１３，Ｍ１４のドレイン電圧が下がってしまい、トランジスタＭ１３，Ｍ１４が非飽和状態となってしまう。この場合、トランジスタＭ１３，Ｍ１４が正常に動作することが難しくなる。例えば、第２電源電位Ｖｄｄ２が１．２Ｖの場合、ＣＭＬ型の駆動回路１２１は振幅が４００ｍＶ以上の信号を出力することが難しくなってしまう。

図１２に半導体レーザー駆動回路１００の駆動回路１２１の他の例を示す。図１２に示す駆動回路１２１ａは、電源レギュレータ１２３と、トランジスタＭ１７，Ｍ１８を備える。

トランジスタＭ１７は、Ｐ型トランジスタであり、ソース端子が電源レギュレータ１２３に、ドレイン端子が第２容量素子Ｃ２に、ゲート端子が反転バッファ１２４を介して入力端子１１０に接続される。
トランジスタＭ１８は、Ｎ型トランジスタであり、ドレイン端子が第２容量素子Ｃ２に、ゲート端子が入力端子１１０に接続され、ソース端子が接地されている。
トランジスタＭ１７，１８はどちらも低耐圧ではあるが高速動作が可能なトランジスタである。
電源レギュレータは、一端が第２電源電位Ｖｄｄ２に接続され、他端がトランジスタＭ１７のソース端子に接続されている。

駆動回路１２１ａは、異なる導電型のトランジスタが直列に接続されたＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の駆動回路である。トランジスタＭ１７，１８に直列に抵抗素子を接続してもよいが、図１２では、トランジスタＭ１７，Ｍ１８を縦積みに接続することで出力インピーダンスを調整し、インピーダンスマッチングを行っている。

電源レギュレータ１２３は、駆動回路１２１ａの出力振幅を決めている。半導体レーザーダイオード２００の微分抵抗をＲ１、駆動回路１２１ａの出力インピーダンスをＲｄｒ、駆動回路１２１ａから出力される電流は、Ｐｕｓｈ時に−ＩＨ／２、Ｐｕｌｌ時にＩＨ／２であるとすると、電源レギュレータ１２３の出力電圧は（Ｒ１＋Ｒｄｒ）・ＩＨとなる。電源レギュレータ１２３の出力電圧からもわかるように、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の駆動回路１２１ａは、ＣＭＬ型の駆動回路１２１と異なり、常にバイアス電流を供給する必要がなく、少ない消費電力での動作が可能となる。特に、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の駆動回路１２１ａの出力段に流れる電流は、理想的には半導体レーザーダイオード２００に流れる電流とほぼ等しい。このように、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の駆動回路１２１ａは、最も消費電流の少ない駆動回路の一つとなる。一方、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の駆動回路１２１ａは、出力の立ち上がり、立ち下がりのバランスが取りにくいなど、出力波形の品質を高くするために細かい調整が必要となり、回路設計が複雑になるという欠点もある。また、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ型の駆動回路１２１ａは電源電位とグランドとの間にノイズが発生しやすいという問題もある。

上述したように、前段回路１１３や駆動回路１２１の構成はいくつかの選択肢があり、半導体レーザー駆動回路１００に求められる設計コストや消費電力に応じて適切な回路構成を選択する。

以上のように、本実施形態に係る半導体レーザー駆動回路１００は、入力信号を第１周波数ｆ１以下の周波数成分を有する低周波電流ＩＬと、第１周波数ｆ１より大きい周波数成分を有する高周波電流ＩＨとにわけ、バイアス電流に低周波電流ＩＬを重畳して半導体レーザーダイオード２００に供給する。これにより、バイアスティーなどのような外付けの部品を用いずとも、半導体レーザー駆動回路１００を低電圧で高速に動作させることができる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態に係る半導体レーザー装置２について説明する。半導体レーザー装置２は、半導体レーザー駆動回路３００及び半導体レーザーダイオード２００を有する。第２実施形態に係る半導体レーザー駆動回路３００は、可変容量素子Ｃ３３を有する第１供給部３３０と制御部３４０を有する点を除き図３に示す半導体レーザー駆動回路１００と同じ構成を有する。半導体レーザー駆動回路１００と同じ構成要素には同一符号を付し説明を省略する。

半導体レーザー駆動回路の第１供給部及び第２供給部のカットオフ周波数ｆ１，ｆ２が同一になるよう設計しても、実際は半導体レーザー駆動回路の使用環境や、製造誤差の影響で第１供給部のカットオフ周波数ｆ１と第２供給部のカットオフ周波数ｆ２がずれてしまうことがある。そこで本実施形態では、第１供給部の容量素子の容量値を変更できるようにし、第１供給部のカットオフ周波数ｆ１を第２供給部のカットオフ周波数ｆ２に近い値に調整することで、第１供給部と第２供給部のカットオフ周波数のずれを小さくし、半導体レーザーダイオードに供給する駆動電流の歪みを小さくする。

図１３に示すように第１供給部３３０は、図４に示す第１容量素子Ｃ１に代わり可変容量素子Ｃ３３を有している。可変容量素子Ｃ３３は、一端が第１電源電位Ｖｄｄ１に接続され、他端がトランジスタＭ１１，Ｍ１２のゲート端子に接続される。可変容量素子Ｃ３３は、制御部３４０からの制御信号に基づき容量値が変化する。可変容量素子Ｃ３３は、例えば複数の容量素子とスイッチで構成された回路で実現すればよい。

制御部３４０は、テスト信号を生成し、第１供給部３３０及び第２供給部１４０に出力する。制御部３４０は、第１供給部３３０及び第２供給部１４０が半導体レーザーダイオード２００に供給する駆動電流Ｉに基づき、第１供給部３３０の可変容量素子Ｃ３３の容量値を制御する。

図１４を用いて制御部３４０の一例を説明する。制御部３４０は、トランジスタＭ３１及び第３容量素子Ｃ３及び第４電流源１３１で構成される整流器と、整流器で整流した信号を蓄積する第４、第５容量素子Ｃ４，Ｃ５と、第４，第５容量素子Ｃ４，Ｃ５に蓄積された信号を比較する比較器１３２を有している。制御部３４０は、テスト信号を生成する信号生成部１３４と、信号生成部１３４を制御するとともに、比較器１３２による比較結果に基づき可変容量素子Ｃ３３を制御する制御回路１３３とを有する。

整流器は、ドレイン端子が第２電源電位Ｖｄｄ２に接続され、ゲート端子が半導体レーザー駆動回路３００の出力端子１２０に接続されたトランジスタＭ３１と、一端が第２電源電位Ｖｄｄ２に接続され、他端がトランジスタＭ３１のソース端子に接続された第３容量素子Ｃ３と、一端がトランジスタＭ３１のソース端子に接続され、他端が接地された第４電流源１３１を有する。整流器は、トランジスタＭ３１と第３容量素子Ｃ３とが並列に接続され、並列に接続されたトランジスタＭ３１及び第３容量素子Ｃ３と第４電流源１３１とが直列に接続された構成となっている。

第４容量素子Ｃ４は、一端が第１スイッチＳ１を介してトランジスタＭ３１のソース端子に接続され、他端が接地されている。第４容量素子Ｃ４は、信号生成部１３４が生成する第１信号が第１供給部３３０及び第２供給部１４０に入力された場合に出力端子１２０から出力される駆動電流の電圧値を蓄積する。

第５容量素子Ｃ５は、一端が第２スイッチＳ１を介してトランジスタＭ３１のソース端子に接続され、他端が接地されている。第５容量素子Ｃ５は、信号生成部１３４が生成する第２信号が第１供給部３３０及び第２供給部１４０に入力された場合に出力端子１２０から出力される駆動電流の電圧値を蓄積する。

比較器１３２は、第４，第５容量素子Ｃ４，Ｃ５の電圧値を比較し、比較結果を制御回路１３３に出力する。
信号生成部１３４は、テスト信号である第１信号を生成する第１信号生成部１３５、テスト信号である第２信号を生成する第２信号生成部１３６、及び第１信号又は第２信号のどちらか一方を選択し、第１供給部３３０及び第２供給部１４０に出力する選択器１３７を備える。

第１信号生成部１３５は制御回路１３３からの指示を受け第１信号を生成する。第１信号は、第３周波数ｆ３の成分（第３周波数成分）を有する。具体的には、第１信号は、図１５に示す通り、第３周波数ｆ３でＨｉｇｈ信号及びＬｏｗ信号を繰り返す信号である。第１信号生成部１３５は生成した第１信号を選択器１３７へ出力する。
第２信号生成部１３６は制御回路１３３からの指示を受け第２信号を生成する。第２信号は、第４周波数ｆ４の成分（第４周波数成分）及び第５周波数ｆ５の成分（第５周波数成分）を有する。具体的には、第２信号は、図１５に示す通り、第４周波数ｆ４でＨｉｇｈ信号及びＬｏｗ信号を繰り返す第１期間と第５周波数ｆ５でＨｉｇｈ信号及びＬｏｗ信号を繰り返す第２期間とを繰り返す。第１期間及び第２期間をあわせて１周期とする。第２信号生成部１３６は、生成した第１信号を選択器１３７へ出力する。
なお、第１信号及び第２信号の振幅はほぼ同じ値であるとする。

選択器１３７は、第１信号生成部１３５及び第２信号生成部１３６が生成する第１信号及び第２信号を受け取る。選択器１３７は、制御回路１３３の指示に従い第１信号または第２信号のいずれか一方を選択し、入力信号として第１供給部３３０及び第２供給部１４０に出力する。

制御回路１３３は、可変容量素子Ｃ３３の容量値を調整する調整モード時に、信号生成部１３４の各部を制御し、第１信号又は第２信号を入力信号として第１供給部３３０及び第２供給部１４０に供給する。制御回路１３３は、比較器１３２からの比較結果に基づき可変容量素子Ｃ３３の容量値を調整する。

次に、図１６乃至図１８を用いて、第１信号及び第２信号を用いて可変容量素子Ｃ３３の容量値を調整する方法について説明する。図１６乃至図１８は、第１供給部３３０及び第２供給部１４０のカットオフ周波数を変化させながら第１信号及び第２信号を各供給部へ入力した場合のシミュレーション結果を示す図である。
図１６は、第１供給部３３０のカットオフ周波数である第１周波数ｆ１と第２供給部１４０のカットオフ周波数である第２周波数ｆ２がほぼ等しい場合に半導体レーザー駆動回路３００から出力される駆動電流の電圧値を示す図である。

図１６に示す実線は、第１信号を入力信号として各供給部へ入力した場合の整流器の出力を示す。図１６に示す通り、第１供給部３３０のカットオフ周波数と第２供給部１４０のカットオフ周波数がほぼ等しい（ｆ１≒ｆ２）場合、半導体レーザー駆動回路３００は、第１信号とほぼ同じ電圧波形を有する信号を出力する。以下、半導体レーザー駆動回路３００が出力する信号を第１出力信号と称する。

図１６に示す二点鎖線は、第２信号を入力信号として各供給部へ入力した場合の半導体レーザー駆動回路３００の出力を示す。図１６に示す通り、第１供給部３３０のカットオフ周波数と第２供給部１４０のカットオフ周波数がほぼ等しい（ｆ１≒ｆ２）場合、半導体レーザー駆動回路３００は第２信号とほぼ同じ電圧波形を有する信号を出力する。以下、半導体レーザー駆動回路３００が出力する信号を第２出力信号と称する。

第１信号及び第２信号の振幅がほぼ同じであるため、第１出力信号及び第２出力信号の振幅はほぼ同じとなる。図１６に示すシミュレーション結果では、第１出力信号と第２出力信号の平均振幅差は約０．１６ｍＶである。

図１７は、第１供給部３３０のカットオフ周波数である第１周波数ｆ１が第２供給部１４０のカットオフ周波数である第２周波数ｆ２より大きい場合に半導体レーザー駆動回路３００から出力される駆動電流の電圧値を示す図である。

図１７に示す実線は、第１信号を入力信号として各供給部へ入力した場合の半導体レーザー駆動回路３００の出力を示す。図１７に示す二点鎖線は、第２信号を入力信号として各供給部へ入力した場合の半導体レーザー駆動回路３００の出力を示す。第１信号を入力信号とした場合に半導体レーザー駆動回路３００が出力する第１出力信号と、第２信号を入力した場合に半導体レーザー駆動回路３００が出力する第２出力信号とを比較すると、図１７に示す通り、第１出力信号の振幅が第２出力信号の振幅より大きくなる。図１７に示すシミュレーション結果では、第１出力信号と第２出力信号との平均振幅の差は約１２．６ｍＶである。

図１８は、第１供給部３３０のカットオフ周波数である第１周波数ｆ１が第２供給部１４０のカットオフ周波数である第２周波数ｆ２より小さい場合に半導体レーザー駆動回路３００から出力される駆動電流の電圧値を示す図である。

図１８に示す実線は、第１信号を入力信号として各供給部へ入力した場合の半導体レーザー駆動回路３００の出力を示す。図１８に示す二点鎖線は、第２信号を入力信号として各供給部へ入力した場合の半導体レーザー駆動回路３００の出力を示す。第１信号を入力信号とした場合に半導体レーザー駆動回路３００が出力する第１出力信号と、第２信号を入力した場合に半導体レーザー駆動回路３００が出力する第２出力信号とを比較すると、図１８に示す通り、第１出力信号の振幅が第２出力信号の振幅より小さくなる。図１８に示すシミュレーション結果では、第１出力信号と第２出力信号との平均振幅の差は約−１０．７４ｍＶである。

制御回路１３３は、例えば半導体レーザー駆動回路３００が搭載されたチップが出荷される際、半導体レーザー駆動回路３００の電源が投入された際、あるいは半導体レーザー駆動回路３００が駆動している間の一定期間ごとに調整モードを実行する。

具体的には、制御回路１３３は、調整モードを実行する場合、まず信号生成部１３４の第１信号生成部１３５に第１信号を生成するよう指示する。制御回路１３３は、選択器１３７を制御し、第１信号を入力信号として第１供給部３３０及び第２供給部１４０に供給する。

第１信号を第１，第２供給部３３０，１４０に供給してから一定期間経過後、制御回路１３３は、第２信号を第１，第２供給部３３０，１４０に供給するよう第２信号生成部１３６及び選択器１３７を制御する。

制御回路１３３は、第１信号が第１，第２供給部３３０，１４０に入力された場合の駆動電流Ｉで生じた電圧を整流した電圧、すなわち第１出力信号の平均振幅と、第２信号が第１，第２供給部３３０，１４０に入力された場合の駆動電流Ｉで生じた電圧を整流した電圧、すなわち第２出力信号の平均振幅との比較結果を比較器１３２から受け取る。

比較器１３２からの比較結果、第１出力信号の振幅が第２出力信号の振幅より大きい場合、制御回路１３３は、第１供給部３３０のカットオフ周波数ｆ１が小さくなるよう可変容量素子Ｃ３３を制御する。

比較器１３２からの比較結果、第１出力信号の振幅が第２出力信号の振幅より小さい場合、制御回路１３３は、第１供給部３３０のカットオフ周波数ｆ１が大きくなるよう可変容量素子Ｃ３３を制御する。

比較器１３２からの比較結果、第１出力信号の振幅が第２出力信号の振幅とほぼ同じ場合、制御回路１３３は調整モードを終了する。調整モードが終了すると半導体レーザー駆動回路３００は、外部から入力される入力信号を出力端子１２０から半導体レーザーダイオード２００に供給する。

以上のように、本実施形態にかかる半導体レーザー駆動回路３００では、第１供給部３３０に可変容量素子Ｃ３３をもうけ、第１供給部３３０のカットオフ周波数ｆ１を調整することで、半導体レーザー駆動回路３００の製造誤差や環境の変化によらず、歪みの少ない駆動電流を半導体レーザーダイオード２００に供給することができる。

なお、本実施形態では制御回路１３３は、第１供給部３３０のカットオフ周波数ｆ１を調整しているが、第２供給部１４０のカットオフ周波数ｆ２を調整するようにしてもよい。この場合、第２供給部１４０の第２容量素子Ｃ２を可変容量素子とする方法が考えられるが、第２供給部１４０の第２容量素子Ｃ２を可変容量素子とすると、第２供給部１４０のスイッチング動作を高速に行えなくなる場合がある。従って、第２供給部１４０を高速に動作させる場合などは、第１供給部３３０のカットオフ周波数ｆ１を調整することが望ましい。

最後に、上述した各実施形態の説明は本開示の一例であり、本開示は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本開示に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１００半導体レーザー駆動回路
１１０入力端子
１２０出力端子
１３０，３３０第１供給部
１４０第２供給部
３４０制御部

Claims

入力端子から入力される入力信号に基づき、出力端子に接続された半導体レーザーダイオードに駆動電流を供給することで前記半導体レーザーダイオードを制御する半導体レーザー駆動回路であって、
バイアス電流、及び前記入力信号の第１周波数以下の周波数成分を有する第１供給信号を供給する第１供給部と、
前記入力信号の第２周波数より大きい周波数成分を有する第２供給信号を供給する第２供給部と、
を備える半導体レーザー駆動回路。
前記第１周波数と前記第２周波数とがほぼ等しい請求項１に記載の半導体レーザー駆動回路。
前記第１供給部は、
前記バイアス電流を生成する電流源と、
高耐圧トランジスタを有し、前記バイアス電流と前記第１供給信号とを重畳して前記出力端子に供給するカレントミラー回路と、
前記高耐圧トランジスタのゲート端子に接続された第１容量素子と、を備える請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザー駆動回路。
前記第１容量素子は、可変容量素子であり、前記第１容量素子の容量値を調整することで前記第１周波数の調整する請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザー駆動回路。
第３周波数成分を有する第１信号を前記入力信号とした場合の前記駆動電流の電圧を整流した電圧値と、第４周波数成分及び第５周波数成分を有する第２信号を前記入力信号とした場合の前記駆動電流の電圧を整流した電圧値とを比較した比較結果に基づき、前記第１容量素子の容量値を調整する制御部を備える請求項４に記載の半導体レーザー駆動回路。
半導体レーザーダイオードと、
入力端子から入力される入力信号に基づき、出力端子に接続された前記半導体レーザーダイオードに駆動電流を供給することで前記半導体レーザーダイオードを制御する半導体レーザー駆動回路と、を備え、
前記半導体レーザー駆動回路は、
バイアス電流、及び前記入力信号の第１周波数以下の周波数成分を有する第１供給信号を供給する第１供給部と、
前記入力信号の第２周波数より大きい周波数成分を有する第２供給信号を供給する第２供給部と、
を備える半導体レーザー装置。