JP2015041657A

JP2015041657A - 光デバイス駆動回路

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Publication number: JP2015041657A
Application number: JP2013170948A
Authority: JP
Inventors: 一郎福士; Ichiro Fukushi; 章之門谷; Akiyuki Kadoya; 隼規坂本; Junki Sakamoto; 一馬渡辺; Kazuma Watanabe
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2015-03-02
Anticipated expiration: 2033-08-21
Also published as: JP6303329B2

Abstract

【課題】各入力信号に対する入力信号のオン時の光出力を一定に制御でき、消光比を大きくすることができる光デバイス駆動回路。
【解決手段】光デバイスＬＤの光出力を入力信号レベルに応じた光出力に制御する光デバイス駆動回路であって、光デバイスＬＤの光出力を検知する光検知器ＰＤの光電流を所定の信号形態に変換する信号処理部１５と、信号処理部１５の出力信号と所望の光出力に応じた入力信号との誤差を増幅する誤差アンプ１２と、入力信号の変化に応じて２値に変化する補正信号を生成するＬＤ電流補正部１６と、誤差アンプ１２の出力信号とＬＤ電流補正部１６からの補正信号とに応じて光デバイスＬＤを駆動して光デバイスＬＤに所定値の電流を流すＬＤ駆動部１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザなどの光デバイスの光出力を制御する光デバイス駆動回路に関する。

従来より、光デバイスの一つである半導体レーザの応答特性と、入力信号をレーザに入力したときの光出力と入力信号をレーザに入力しないときの光出力との比を表す消光比を改善する技術として、例えば、特許文献１〜３に記載された半導体レーザ駆動装置が知られている。

特許文献１の半導体レーザ駆動装置は、発光しない期間に固定のバイアス電流を供給し、発光期間の前に発光閾値電流に満たない所定の電流を供給する制御部を有し、制御部は、微分量子効率を測定し、バイアス電流を決定することにより、半導体レーザの応答特性を改善している。

特許文献２，３の半導体レーザ駆動装置は、入力電流に応じて光源を発光させるための駆動電流を生成する駆動電流生成部と、駆動電流生成部が生成する駆動電流のオン期間の初期期間に、駆動電流を補助する補助電流を生成する駆動補助電流生成部とを備え、補助電流を駆動電流に加算することにより半導体レーザを駆動して、半導体レーザの応答特性を改善している。

特開２００４−２１６８３６号公報特開２０１１−２１６８４３号公報特許第３４６６５９９号公報

しかしながら、直接変調によりデジタル的に光出力を変調する場合には、消光比と光応答特性とがトレードオフの関係になるため、消光比と光応答特性とを両立させることが困難であった。

また、特許文献２，３では、複数の定電流源をスイッチングすることにより電流波形を制御する構成であるため、各々の入力信号に対して自動電流制御（ＡＣＣ）駆動を行っていた。このため、光出力にばらつきが発生していた。
また、特許文献１〜３では、閾値電流以下にバイアス電流の値を調整しても、自然放出光が存在するため、消光比の値には限定があった。また、特許文献２，３では、バイアス電流や補正電流を流すために複数の電流源が必要になる。

本発明の課題は、各入力信号に対する入力信号のオン時の光出力を一定に制御でき、消光比を大きくすることができる光デバイス駆動回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る光デバイス駆動回路は、光デバイスの光出力を入力信号レベルに応じた光出力に制御する光デバイス駆動回路であって、前記光デバイスの光出力を検知する光検知器の光電流を所定の信号形態に変換する信号処理部と、前記信号処理部の出力信号と所望の光出力に応じた入力信号との誤差を増幅する誤差アンプと、前記入力信号の変化に応じて２値に変化する補正信号を生成する電流補正部と、前記誤差アンプの出力信号と前記電流補正部からの補正信号とに応じて前記光デバイスを駆動して前記光デバイスに所定値の電流を流す光デバイス駆動部とを備えることを特徴とする。

また、前記電流補正部は、前記入力信号の立ち上がりを検知して、前記光デバイスの閾値電流を流すために必要な電圧を前記補正信号として出力することを特徴とする。

また、前記電流補正部は、オープンコレクタ出力のヒステリシスコンパレータにより構成されることを特徴とする。

また、前記ヒステリシスコンパレータの出力端子には、可変電圧源が接続されていることを特徴とする。

本発明に係る光デバイス駆動回路によれば、光デバイスの光出力を検知する光検知器の光電流を所定の信号形態に変換する信号処理部の出力信号を誤差アンプに帰還するフィードバックループが構成されているので、各入力信号に対する入力信号のオン時の光出力を一定に制御できる。

また、ＬＤ電流補正部から、入力信号のオンのタイミングを検知し、レーザ発振の閾値付近まで駆動電流を増加させる電流が、フィードバックループを介さず、瞬時にＬＤ駆動部に流れるので、バイアス電流を流す必要がなくなり、消光比を大きくすることができる。

本発明の実施例１に係る光デバイス駆動回路の構成を示すブロック図である。従来の光デバイス駆動回路における半導体レーザの光出力応答特性を示す図である。本発明の実施例１に係る光デバイス駆動回路における半導体レーザの光出力応答特性を示す図である。本発明の実施例２に係る光デバイス駆動回路の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の光デバイス駆動回路の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る光デバイス駆動回路の構成を示すブロック図である。この光デバイス駆動回路は、光デバイスの光出力を入力信号レベルに応じた光出力に制御する光デバイス駆動回路である。

光デバイス駆動回路は、入力端子１０、加算器１１、誤差アンプ１２、加算器１３、ＬＤ駆動部１４、半導体レーザ（ＬＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）、信号処理部１５、ＬＤ電流補正部１６、ヒステリシスコンパレータ１７、可変電圧源１８、抵抗１９とを備えている。

加算器１１、誤差アンプ１２、加算器１３、ＬＤ駆動部１４、半導体レーザ、フォトダイオード、及び出力信号を加算器１１に出力する信号処理部１５は、フィードバックループを構成し、各入力信号に対して、入力信号がオン時の半導体レーザの光出力値を所定値に制御する。

半導体レーザは、光デバイスに対応し、レーザ光を発生する。フォトダイオードは、光検知器に対応し、半導体レーザからのレーザ光を検知する。信号処理部１５は、フォトダイオードで検知された光電流を所定の信号形態に変換して、加算器１１に出力する。

加算器１１は、入力端子１０からのステップ状の所望の光出力に応じた入力信号と信号処理部１５からの出力信号との誤差を演算する。誤差アンプ１２は、加算器１１からの誤差を増幅して誤差増幅信号を加算器１３に出力する。誤差アンプ１２には、制御の安定性を維持するために時定数τが設けられ、フィードバックループの応答性は時定数τによって制限される。

ＬＤ電流補正部１６は、入力信号の変化に応じて２値に変化する補正信号を生成して補正信号を加算器１３に出力する。より具体的には、ＬＤ電流補正部１６は、半導体レーザの光応答特性を改善するため、入力信号のオンのタイミングを検知し、半導体レーザ発振の閾値付近まで駆動電流を増加させるための補正信号を生成する。

また、ＬＤ電流補正部１６の補正信号は、補正信号をフィードバックループ内の誤差アンプ１２を介さずに、直接、ＬＤ駆動部１４に入力されるようになっている。ＬＤ電流補正部１６は、ヒステリシスコンパレータ１７、可変電圧源１８、抵抗１９とを備える。

ヒステリシスコンパレータ１７は、オープンコレクタ（ドレイン）出力タイプからなり、ステップ状の入力信号の立ち上がりを検知する。ヒステリシスコンパレータ１７の出力端子には、抵抗１９と可変電圧源１８との直列回路が接続されている。

ヒステリシスコンパレータ１７は、入力信号と予め設定したオンレベルを比較することで、入力信号の立ち上がりを検知し、可変電圧源１８の電圧を加算器１３に出力する。

加算器１３は、誤差アンプ１２からの出力信号とＬＤ電流補正部１６からの補正信号とを加算してＬＤ駆動部１４に出力する。ＬＤ駆動部１４は、光デバイス駆動部に対応し、誤差アンプからの出力信号とＬＤ電流補正部１６からの補正信号とに応じて半導体レーザを駆動して半導体レーザに電流を流す。即ち、ＬＤ駆動部１４は、入力信号がオフ時の消光比を大きくするために半導体レーザにバイアス電流を流さない。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る光デバイス駆動回路の動作を説明する。

まず、信号処理部１５は、フォトダイオードで検知された光電流を所定の信号形態に変換して、加算器１１にフィードバックする。

誤差アンプ１２は、加算器１１からの誤差を増幅して誤差増幅信号を加算器１３に出力する。誤差アンプ１２には制御の安定性を維持するために時定数τが設けられているため、応答が緩やかになり、フィードバックループ内でＡＰＣ（自動パワー制御）を安定化させることができる。これにより、入力信号のオン時の光出力値を所定値に制御することができる。

加算器１３は、誤差アンプ１２からの出力信号とＬＤ電流補正部１６からの補正信号とを加算してＬＤ駆動部１４に出力する。ＬＤ駆動部１４は、誤差アンプからの出力信号とＬＤ電流補正部１６からの補正信号とに応じて半導体レーザを駆動して半導体レーザに電流を流す。即ち、ＬＤ駆動部１４は、入力信号がオフ時の消光比を大きくするために半導体レーザにバイアス電流を流さない。

また、従来の技術で説明したように、消光比と光応答特性とはトレードオフの関係になるため、入力信号がオフ時の消光比を大きくすると、半導体レーザの光応答特性が悪化する。

そこで、ＬＤ電流補正部１６は、半導体レーザの光応答特性を改善するため、ヒステリシスコンパレータ１７により入力信号の立ち上がりのタイミングを検知し、半導体レーザの閾値電流を流すために必要な電圧Ｖ、即ち可変電圧源１８の電圧を加算器１３に出力する。この場合、ヒステリシスコンパレータ１７をオープンコレクタ（ドレイン）出力タイプとすることで、任意の電圧に調整することができる。

加算器１３は、誤差アンプ１２からの出力信号とＬＤ電流補正部１６からの補正信号とを加算してＬＤ駆動部１４に出力する。

すると、ＬＤ駆動部１４は、ＬＤ電流補正部１６からの補正信号により、図３の光出力応答特性のように、瞬時に閾値電流付近まで補正電流を流す。図３においては、ＬＤ電流と光出力との特性（Ｉ−Ｌ特性）を有する半導体レーザに対して、時間的に変化する補正電流を含む駆動電流を流したときの光出力応答の時間的な変化を示している。図３に示すように、瞬時に閾値電流付近まで補正電流を流すので、光出力応答の即応性が良くなる。

また、補正電流に加え、誤差アンプ１２からの制御出力に応じたＬＤ電流が流れ、全体としてＡＰＣを構成する。

なお、従来の光デバイス駆動回路の光出力応答特性を図２に示す。図２においては、駆動電流が緩やかに増加していくので、光出力応答の即応性が悪くなっている。

また、ＬＤ電流補正部１６の補正信号は、補正信号をフィードバックループ内の誤差アンプ１２を介さずに、直接、ＬＤ駆動部１４に入力される。即ち、ＬＤ電流補正部１６を誤差アンプ１２の前段に設けていないので、ＡＰＣを安定化させるための誤差アンプ１２の時定数τの影響を受けずに、直ちに駆動電流を立ち上げることができる。

このように、実施例１の光デバイス駆動回路によれば、半導体レーザの光出力を検知するフォトダイオードの光電流を所定の信号形態に変換する信号処理部１５の出力信号を誤差アンプ１２に帰還するフィードバックループが構成されているので、各入力信号に対する入力信号のオン時の光出力を一定に制御できる。

また、ＬＤ電流補正部１６が入力信号の変化に応じて２値に変化する補正信号を生成し、ＬＤ駆動部１４が誤差アンプ１２の出力信号とＬＤ電流補正部１６からの補正信号とに応じて半導体レーザを駆動して半導体レーザに電流を流すので、バイアス電流を流す必要がなくなることから、消光比を大きくすることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の実施例２に係る光デバイス駆動回路の構成を示すブロック図である。図４に示す実施例２に係る光デバイス駆動回路は、図１に示す実施例１に係る光デバイス駆動回路に対して、可変電圧源１８に代えて、ＣＰＵ（中央処理装置）２０、ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）２１、バッファ回路２２を備えている。

ＣＰＵ２０は、閾値電流の値に応じたデジタル値をＤＡＣ２１に出力する。ＤＡＣ２１は、ＣＰＵ２０からの閾値電流の値に応じたデジタル値を閾値電流の値に応じたアナログ値に変換し、バッファ回路２２、抵抗１９を介して加算器１３に出力する。

このように構成された実施例２に係る光デバイス駆動回路によれば、ＣＰＵ２０が、各々の半導体レーザに対する各々の閾値電流の値に応じた各々のデジタル値を生成する。さらに、各デジタル値は、ＤＡＣ２１によりアナログ値に変換され、加算器１３に出力される。これにより、各々の半導体レーザに対しても、瞬時に閾値電流付近まで補正電流を流すことができる。

従って、実施例２に係る光デバイス駆動回路においても、実施例１に係る光デバイス駆動回路の効果と同様な効果が得られる。

なお、本発明は、実施例１及び実施例２の光デバイス駆動回路に限定されるものではない。実施例１及び実施例２の光デバイス駆動回路では、光デバイスとして、半導体レーザを例示したが、半導体レーザに限定されることなく、図２及び図３に示す非線形性を有する光デバイスに対して適用することができる。

本発明は、光デバイス駆動回路に利用できる。

ＬＤ半導体レーザ
１０入力端子
１１加算器
１２誤差アンプ
１３加算器
１４ＬＤ駆動部
１５信号処理部
１６ＬＤ電流補正部
１７ヒステリシスコンパレータ
１８可変電圧源
１９抵抗
２０ＣＰＵ
２１ＤＡＣ
２２バッファ回路

Claims

光デバイスの光出力を入力信号レベルに応じた光出力に制御する光デバイス駆動回路であって、
前記光デバイスの光出力を検知する光検知器の光電流を所定の信号形態に変換する信号処理部と、
前記信号処理部の出力信号と所望の光出力に応じた入力信号との誤差を増幅する誤差アンプと、
前記入力信号の変化に応じて２値に変化する補正信号を生成する電流補正部と、
前記誤差アンプの出力信号と前記電流補正部からの補正信号とに応じて前記光デバイスを駆動して前記光デバイスに所定値の電流を流す光デバイス駆動部と、
を備えることを特徴とする光デバイス駆動回路。
前記電流補正部は、前記入力信号の立ち上がりを検知して、前記光デバイスの閾値電流を流すために必要な電圧を前記補正信号として出力することを特徴とする請求項１記載の光デバイス駆動回路。
前記電流補正部は、オープンコレクタ出力のヒステリシスコンパレータにより構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光デバイス駆動回路。
前記ヒステリシスコンパレータの出力端子には、可変電圧源が接続されていることを特徴とする請求項３記載の光デバイス駆動回路。