JP2016103640A - レーザ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】リニアな光素子駆動回路を用いることなく、低電力、小回路規模でＰＡＭ信号光を生成することができるレーザ駆動回路を提供する。【解決手段】ＰＡＭ信号発生器１Ａは、差動ユニット１０ａ，１０ｂを備える。差動ユニット１０ａは、一方の電流端子が電流源１２ａに共通に接続された一対のトランジスタＱ０、Ｑ０Ｂを有し、一方のトランジスタＱ０の制御端子が正相信号Ｂ０を受け、他方のトランジスタＱ０Ｂの制御端子が逆相信号Ｂ０Ｂを受ける。差動ユニット１０ｂは、一方の電流端子が電流源１２ｂに共通に接続された一対のトランジスタＱ１、Ｑ１Ｂを有し、一方のトランジスタＱ１の制御端子が正相信号Ｂ１を受け、他方のトランジスタＱ１Ｂの制御端子が逆相信号Ｂ１Ｂを受ける。差動ユニット１０ａ，１０ｂでは、一方のトランジスタの他方の電流端子がＶＣＳＥＬ３のカソードに接続される。電流源１２ｂは、電流源１２ａよりも大きな電流を供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ駆動回路に関する。

特許文献１は、複数のセグメントに分割された変調器の動作により多値信号を生成する技術を開示する。特許文献２は、デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａコンバータ）によって多値変調信号を発生させる技術を開示する。

米国特許出願公開第２０１４／０３２１８６４号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００２７７６３号明細書

近年の光通信システムでは、伝送速度の高速化に伴い、従来のＮＲＺ（Non Return to Zero）方式に代えて、多値振幅変調（Pulse Amplitude Modulation、以下ＰＡＭと称する）方式を用いた高度なシステムが求められている。レーザダイオードの直接変調を行う場合、または外部変調器を用いて間接変調を行う場合のいずれにおいても、ＮＲＺ方式では変調速度に限界があるからである。

従来のＰＡＭ方式では、電気的なＰＡＭ信号を光学的なＰＡＭ信号に変換する際に、例えばマルチビット型のＤ／Ａコンバータで生成した信号をリニアな光素子駆動回路で変調することにより、多値信号を得る。しかしながら、通常、線形増幅器の動作点は、出力と入力との線形関係が得られる領域に設定される。出力と入力との非線形性は出力効率を低下させ、結果的に増幅器の電力消費を増加させるからである。

なお、特許文献２に開示される駆動回路は、サーモメータＤ／ＡコンバータによってＰＡＭ信号を生成する。その場合、各増幅器の線形動作は不要である。しかしながら、１つのバイナリ信号が多値信号に変換されるため、ＰＡＭ信号を生成する回路規模は極めて大きくなる。例えば、３ビットのバイナリ信号は、８つのレベルを有するＰＡＭ信号に変換される。

また、特許文献１に開示される回路は、ＬＤ及び／又はモジュレータのような光デバイスを幾つかのセグメントに分割し、これらのセグメントを互いに異なる複数の信号によって変調することにより、ＰＡＭ信号を生成する。このような回路によれば、特許文献２の回路と比較して回路規模を小さくすることができる。しかしながら、光デバイス及びドライバ回路を一体で設計する必要がある。従って、この回路に適用可能な光デバイスは、例えばマッハツェンダー変調器のような一般に高価なデバイスに限られてしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、リニアな光素子駆動回路を用いることなく、低電力、小回路規模でＰＡＭ信号光を生成することができるレーザ駆動回路を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一実施形態に係るレーザ駆動回路は、レーザダイオードの駆動電流を互いに異なる複数のレベル間で変化させて多値変調を行うレーザ駆動回路であって、第１電流源と、それぞれの一方の電流端子が該第１電流源に共通に接続された一対の第１トランジスタと、を有し、一方の第１トランジスタの制御端子が第１差動入力信号の正相信号を受け、他方の第１トランジスタの制御端子が第１差動入力信号の逆相信号を受け、一方の第１トランジスタの他方の電流端子がレーザダイオードのカソードに電気的に接続される第１差動ユニットと、第１電流源が供給する電流よりも大きな電流を供給する第２電流源と、それぞれの一方の電流端子が該第２電流源に共通に接続された一対の第２トランジスタと、を有し、一方の第２トランジスタの制御端子が第２差動入力信号の正相信号を受け、他方の第２トランジスタの制御端子が第２差動入力信号の逆相信号を受け、一方の第２トランジスタの他方の電流端子がレーザダイオードのカソードに電気的に接続される第２差動ユニットと、を備える。

本発明によるレーザ駆動回路によれば、リニアな光素子駆動回路を用いることなく、低電力、小回路規模でＰＡＭ信号光を生成することができる。

図１は、本発明の第１実施形態によるＰＡＭ信号発生器の回路図を示す。 図２は、図１に示されるＶＣＳＥＬのＩ−Ｌ曲線を概略的に例示する。 図３は、本発明の第２実施形態によるＰＡＭ信号発生器の回路図を示す。 図４は、実際のＶＣＳＥＬに現れるＩ−Ｌ特性と、補償ユニットから供給される付加電流を受けてＶＣＳＥＬに流れる電流とを示す。 図５は、図３に示された回路から修正された別の回路図を示す。 図６は、３ビットの論理信号を８つの光出力レベルに変換するＰＡＭ信号発生器の回路図である。 図７は、図６に示されるＰＡＭ信号発生器により駆動されるＶＣＳＥＬのＩ−Ｌ特性を示す。 図８は、８つの出力レベルを識別し、補償ユニットを有するＰＡＭ信号発生器の回路図である。 図９は、実際のＶＣＳＥＬに現れるＩ−Ｌ特性と、補償ユニットから供給される付加電流を受けてＶＣＳＥＬに流れる電流とを示す。 図１０は、８つの識別可能なレベルでＶＣＳＥＬを駆動する電流を発生するとともに、ＶＣＳＥＬの光出力パワーの飽和を補償するための補償ユニットを有する別のＰＡＭ信号発生器の回路図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の一実施形態に係るレーザ駆動回路は、レーザダイオードの駆動電流を互いに異なる複数のレベル間で変化させて多値変調を行うレーザ駆動回路であって、第１電流源と、それぞれの一方の電流端子が該第１電流源に共通に接続された一対の第１トランジスタと、を有し、一方の第１トランジスタの制御端子が第１差動入力信号の正相信号を受け、他方の第１トランジスタの制御端子が第１差動入力信号の逆相信号を受け、一方の第１トランジスタの他方の電流端子がレーザダイオードのカソードに電気的に接続される第１差動ユニットと、第１電流源が供給する電流よりも大きな電流を供給する第２電流源と、それぞれの一方の電流端子が該第２電流源に共通に接続された一対の第２トランジスタと、を有し、一方の第２トランジスタの制御端子が第２差動入力信号の正相信号を受け、他方の第２トランジスタの制御端子が第２差動入力信号の逆相信号を受け、一方の第２トランジスタの他方の電流端子がレーザダイオードのカソードに電気的に接続される第２差動ユニットと、を備える。

上記のレーザ駆動回路では、第１差動入力信号がハイレベルであり、第２差動入力信号がローレベルである場合には、一方の第１トランジスタが導通し、一方の第２トランジスタが非導通状態になるので、第１電流源によって規定される第１の駆動電流がレーザダイオードを流れる。また、第１差動入力信号がローレベルであり、第２差動入力信号がハイレベルである場合には、一方の第１トランジスタが非導通状態になり、一方の第２トランジスタが導通するので、第２電流源によって規定される、第１の駆動信号よりも大きな第２の駆動電流がレーザダイオードを流れる。更に、第１差動入力信号及び第２差動信号の双方がハイレベルである場合には、一方の第１トランジスタ、及び一方の第２トランジスタの双方が導通するので、第１電流源及び第２電流源の各電流を重畳した第３の駆動電流がレーザダイオードを流れる。このように、上記のレーザ駆動回路によれば、基本的に一対のトランジスタ及び電流源によって構成される第１及び第２の差動ユニットによりＰＡＭ信号を生成できるので、リニアな光素子駆動回路を用いることなく、低電力、小回路規模でＰＡＭ信号光を生成することができる。

上記のレーザ駆動回路において、第２電流源が供給する電流の大きさは、第１電流源が供給する電流の大きさの２倍であることが好ましい。これにより、各レベルの光強度の間隔が等しい４レベルのＰＡＭ信号を好適に生成できる。

上記のレーザ駆動回路は、一方の第１トランジスタ及び一方の第２トランジスタの双方が導通する場合に、レーザダイオードに付加電流を供給する補償ユニットを更に備えることが好ましい。これにより、レーザダイオードが有するＩ−Ｌ特性の非線形性を簡易な構成でもって補償することができる。この場合、補償ユニットは、第１差動入力信号及び第２差動入力信号それぞれの逆相信号に基づいて付加電流を供給することが好ましい。これにより、補償ユニットの回路構成をより単純にすることができる。

上記のレーザ駆動回路において、他方の第１トランジスタの他方の電流端子は、第１模擬ダイオードを介してレーザダイオードのアノードに電気的に接続され、他方の第２トランジスタの他方の電流端子は、第２模擬ダイオードを介してレーザダイオードのアノードに電気的に接続されることが好ましい。これにより、第１差動ユニット及び第２差動ユニットそれぞれの動作特性を均一化し、バランス良く動作させることができる。

上記のレーザ駆動回路は、第１電流源が供給する電流及び第２電流源が供給する電流よりも大きな電流を供給する第３電流源と、それぞれの一方の電流端子が該第３電流源に共通に接続された一対の第３トランジスタと、を有し、一方の第３トランジスタの制御端子が第３差動入力信号の正相信号を受け、他方の第３トランジスタの制御端子が第３差動入力信号の逆相信号を受け、一方の第３トランジスタの他方の電流端子がレーザダイオードのカソードに電気的に接続される第３差動ユニットを更に備えてもよい。

上記のレーザ駆動回路において、第２電流源が供給する電流の大きさは、第１電流源が供給する電流の大きさの２倍であり、第３電流源が供給する電流の大きさは、第２電流源が供給するの電流の大きさの２倍であることが好ましい。これにより、各レベルの光強度の間隔が等しい８レベルのＰＡＭ信号を好適に生成できる。

上記のレーザ駆動回路は、一方の第１トランジスタが非導通状態になり、一方の第２トランジスタ及び一方の第３トランジスタが導通状態になる場合に、レーザダイオードに第１付加電流を供給する第１補償ユニットと、一方の第１トランジスタ、一方の第２トランジスタ、及び一方の第３トランジスタの全てが導通状態になる場合に、レーザダイオードに第２付加電流を供給する第２補償ユニットとを更に備えることが好ましい。これにより、レーザダイオードが有するＩ−Ｌ特性の非線形性を簡易な構成でもって補償することができる。この場合、第１補償ユニットは、第２差動入力信号及び第３差動入力信号それぞれの逆相信号に基づいて第１付加電流を供給し、第２補償ユニットは、第１差動入力信号、第２差動入力信号、及び第３差動入力信号それぞれの逆相信号に基づいて第２付加電流を供給することが好ましい。これにより、第１補償ユニット及び第２補償ユニットの回路構成をより単純にすることができる。

上記のレーザ駆動回路において、他方の第１トランジスタの他方の電流端子は、第１模擬ダイオードを介してレーザダイオードのアノードに電気的に接続され、他方の第２トランジスタの他方の電流端子は、第２模擬ダイオードを介してレーザダイオードのアノードに電気的に接続され、他方の第３トランジスタの他方の電流端子は、第３模擬ダイオードを介してレーザダイオードのアノードに電気的に接続されることが好ましい。これにより、第１差動ユニット、第２差動ユニット及び第３差動ユニットそれぞれの動作特性を均一化し、バランス良く動作させることができる。

上記のレーザ駆動回路は、レーザダイオードのカソードに電気的に接続され、レーザダイオードのバイアス電流を供給するバイアス電流源を更に備えてもよい。これにより、レーザダイオードを流れる駆動電流の中間電流値を容易に制御することができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るレーザ駆動回路の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるレーザ駆動回路として、ＰＡＭ信号発生器１Ａの回路図を示す。図１に示されるＰＡＭ信号発生器１Ａは、垂直共振器面発光型レーザダイオード３（以下、ＶＣＳＥＬと称する）の駆動電流Ｉ_VCSELを互いに異なる複数のレベル間で変化させて多値変調を行う回路であって、第１差動ユニット１０ａ及び第２差動ユニット１０ｂを有する。差動ユニット１０ａは、第１電流源１２ａ、差動増幅器ＡＭＰ₀及び一対の第１トランジスタＱ₀，Ｑ₀Ｂを含む。差動ユニット１０ｂは、第２電流源１２ｂ、差動増幅器ＡＭＰ₁及び一対の第２トランジスタＱ₁，Ｑ₁Ｂを含む。差動ユニット１０ａ及び１０ｂは、電源電圧Ｖ_CCを供給する電源線１３と接地点ＧＮＤとの間に並列に配置されている。また、差動ユニット１０ａ及び１０ｂは、共通のＶＣＳＥＬ３に対してそれぞれ直列に接続されている。

具体的には、第１差動ユニット１０ａは、第１差動入力信号（正相信号Ｂ₀及び逆相信号Ｂ₀Ｂ）を受ける。正相信号Ｂ₀は、一方のトランジスタＱ₀のベース（制御端子）に入力される。逆相信号Ｂ₀Ｂは、他方のトランジスタＱ₀Ｂのベースに入力される。一対の第１トランジスタＱ₀，Ｑ₀Ｂの各エミッタ（一方の電流端子）は、第１の電流Ｉ_B0を供給する第１電流源１２ａに共通に接続されており、第１電流源１２ａを介して接地されている。一方のトランジスタＱ₀のコレクタ（他方の電流端子）は、ＶＣＳＥＬ３のカソードに電気的に接続され、電源線１３からＶＣＳＥＬ３を介して提供される電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされている。他方のトランジスタＱ₀Ｂのコレクタは、第１模擬ダイオードＤ₀を介してＶＣＳＥＬ３のアノードに電気的に接続され、電源線１３から第１模擬ダイオードＤ₀を介して提供される電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされている。

第２差動ユニット１０ｂは、第２差動入力信号（正相信号Ｂ₁及び逆相信号Ｂ₁Ｂ）を受ける。正相信号Ｂ₁は、一方のトランジスタＱ₁のベース（制御端子）に入力される。逆相信号Ｂ₁Ｂは、他方のトランジスタＱ₁Ｂのベースに入力される。一対の第２トランジスタＱ₁，Ｑ₁Ｂの各エミッタ（一方の電流端子）は、第２の電流Ｉ_B1を供給する第２電流源１２ｂに共通に接続されており、第２電流源１２ｂを介して接地されている。一方のトランジスタＱ₁のコレクタ（他方の電流端子）は、ＶＣＳＥＬ３のカソードに電気的に接続され、電源線１３からＶＣＳＥＬ３を介して提供される電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされている。他方のトランジスタＱ₁Ｂのコレクタは、第２模擬ダイオードＤ₁を介してＶＣＳＥＬ３のアノードに電気的に接続され、電源線１３から第２模擬ダイオードＤ₁を介して提供される電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされている。

故に、模擬ダイオードＤ₀，Ｄ₁がＶＣＳＥＬ３のレーザダイオードと実質的に同じ特性を有する場合に、２つの差動ユニット１０ａ，１０ｂは互いに完全な対称形となる。つまり、２つの差動ユニット１０ａ，１０ｂは、ＶＣＳＥＬ３に対してそれぞれ直列に接続されながらも、電源電圧Ｖ_CCを提供する電源線１３と接地点ＧＮＤとの間に並列に接続される。従って、ＰＡＭ信号発生器１Ａは、例えば、第１差動入力信号と第２差動入力信号とをそれぞれ互いに入れ替えた場合に、それらの入力信号を入れ替えない場合と原理的に全く同じ動作を行う。なお、ＶＣＳＥＬ３を流れるバイアス電流Ｉ_BIASを供給するバイアス電流源２５が、ＶＣＳＥＬ３を介して電源線１３に接続されている。ＶＣＳＥＬ３のカソードはバイアス電流源２５を介して接地される。

図１に示されるＰＡＭ信号発生器１Ａの特徴は、２つの電流源１２ａ，１２ｂが、互いに大きさが異なる電流Ｉ_B0，Ｉ_B1をそれぞれ供給するということである。従って、第１の差動ユニット１０ａのみがハイレベル信号を受ける場合に、ＰＡＭ信号発生器１Ａにより駆動されるＶＣＳＥＬ３は第１の光出力を発生することができる。そして、第２の差動ユニット１０ｂのみがハイレベル信号を受ける場合に、ＶＣＳＥＬ３は第１の光出力と異なる第２の光出力を発生することができる。更に、差動ユニット１０ａ，１０ｂが双方ともにハイレベル信号を受ける場合に、ＶＣＳＥＬ３は第３の光出力を発生することができる。下の表１は、上記の関係を概略的に示す。なお、表中のＬはローレベルを表し、Ｈはハイレベルを表す。

図２は、ＶＣＳＥＬ３の出力パワーＰｆと、ＶＣＳＥＬ３を流れる電流Ｉ_VCSELとの関係を概略的に示す。この関係は、Ｉ−Ｌ特性と呼ばれる。なお、図２では、第２の電流Ｉ_B1が第１の電流Ｉ_B0よりも大きいと仮定している。好ましくは、第２の電流Ｉ_B1は第１の電流Ｉ_B0の２倍である。

２つの入力信号Ｂ₀，Ｂ₁が共にローレベルである場合、ＶＣＳＥＬ３にはバイアス電流Ｉ_BIASのみが流れ、光信号出力パワーは最小となる。これは「００」の論理レベルに対応する。第１の入力信号Ｂ₀のみがハイレベルに変化すると、バイアス電流Ｉ_BIASと電流Ｉ_B0との和（Ｉ_BIAS＋Ｉ_B0）がＶＣＳＥＬ３を流れ、「０１」の論理レベルに対応する２番目に小さい光出力パワーが得られる。第２の入力信号Ｂ₁のみがハイレベルに変化すると、バイアス電流Ｉ_BIASと電流Ｉ_B1との和（Ｉ_BIAS＋Ｉ_B1）がＶＣＳＥＬ３を流れ、「１０」の論理レベルに対応する３番目に小さい光出力パワーが得られる。最後に、第１及び第２の入力信号Ｂ₀，Ｂ₁の双方がハイレベルとなった場合に、バイアス電流Ｉ_BIAS、電流Ｉ_B0、及び電流Ｉ_B1の総和（Ｉ_BIAS＋Ｉ_B0＋Ｉ_B1）がＶＣＳＥＬ３を流れ、「１１」の論理レベルに対応する最大の出力パワーを有する光信号が生成される。このように、図１に示されるＰＡＭ信号発生器１Ａは、４つの識別可能な電流によってＰＡＭ信号を生成でき、また、「００」、「０１」、「１０」および「１１」の論理レベルに対応する４つの識別可能な振幅を有する光信号を生成できる。すなわち、単一のＶＣＳＥＬ３によって、４つの論理レベルに対応する光信号を生成できる。

以上に説明した本実施形態のＰＡＭ信号発生器１Ａによれば、基本的に一対のトランジスタ及び電流源によって構成される第１及び第２の差動ユニット１０ａ，１０ｂによりＰＡＭ信号を生成できるので、リニアな光素子駆動回路を用いることなく、低電力、小回路規模でＰＡＭ信号光を生成することができる。また、本実施形態のように、電流Ｉ_B1の大きさは、電流Ｉ_B0の大きさの２倍であることが好ましい。これにより、各レベルの光強度の間隔が等しい４レベルのＰＡＭ信号を好適に生成できる。

また、本実施形態のように、トランジスタＱ₀Ｂのコレクタ（他方の電流端子）は模擬ダイオードＤ₀を介してＶＣＳＥＬ３のアノードに電気的に接続され、トランジスタＱ₁Ｂのコレクタは模擬ダイオードＤ₁を介してＶＣＳＥＬ３のアノードに電気的に接続されることが好ましい。これにより、差動ユニット１０ａ及び１０ｂそれぞれの動作特性を均一化し、バランス良く動作させることができる。

また、本実施形態のように、ＰＡＭ信号発生器１Ａは、ＶＣＳＥＬ３のカソードに電気的に接続され、ＶＣＳＥＬ３のバイアス電流Ｉ_BIASを供給するバイアス電流源２５を更に備えてもよい。これにより、ＶＣＳＥＬ３を流れる駆動電流の中間電流値を容易に制御することができる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係るレーザ駆動回路としての別のＰＡＭ信号発生器１Ｂの回路図を示す。第１実施形態のＰＡＭ信号発生器１Ａでは、ＶＣＳＥＬ３の光出力パワーが、駆動電流の大きさに従って線形に増加すると仮定される。すなわち、図２に示されるＩ−Ｌ特性の傾きが線形になる。この傾きは、スロープ効率と呼ばれる。スロープ効率は、或る駆動電流の範囲内では定数として近似される。

しかしながら、実際のＶＣＳＥＬ３では、Ｉ−Ｌ特性が非線形曲線となる。駆動電流の更に大きい領域では、スロープ効率が小さくなるからである。従って、光出力の「１１」の論理レベルは、「１０」の論理レベルに対応する光出力により近くなる。図３に示されるＰＡＭ信号発生器１Ｂは、ＶＣＳＥＬ３のＩ−Ｌ特性のこのような非線形性を補正できる。

すなわち、図３に示されるＰＡＭ信号発生器１Ｂは、補償ユニット２０ａを更に含む。補償ユニット２０ａは、トランジスタＱ₀及びトランジスタＱ₁の双方が導通する場合に、ＶＣＳＥＬ３に付加電流Ｉ_ANDを供給する。本実施形態の補償ユニット２０ａは、ＮＯＲゲート２１および対トランジスタＱ₂，Ｑ₂Ｂから成る差動ユニットを含んでいる。補償ユニット２０ａは、差動ユニット１０ａ，１０ｂと並列に接続される。補償ユニット２０ａの一方のトランジスタＱ₂のコレクタ（他方の電流端子）は、電源電圧Ｖ_CCからＶＣＳＥＬ３を介してバイアスされる。そして、他方のトランジスタＱ₂Ｂのコレクタは、電源電圧Ｖ_CCから模擬ダイオードＤ₂を介してバイアスされる。対トランジスタＱ₂及びＱ₂Ｂの各エミッタ（一方の電流端子）は、付加電流Ｉ_ANDを供給する電流源２２ａを介して接地されている。補償ユニット２０ａの特徴は、逆相信号Ｂ₀Ｂ，Ｂ₁Ｂに基づいて、付加電流Ｉ_ANDを供給することである。具体的には、トランジスタＱ₂，Ｑ₂Ｂが各差動入力信号の逆相信号Ｂ₀ＢおよびＢ₁ＢをＮＯＲゲート２１を介して受け、ＶＣＳＥＬ３を介してバイアスされたトランジスタＱ₂が、ＮＯＲゲート２１の負論理出力によって駆動される。すなわち、このトランジスタＱ₂は、２つの入力端がそれぞれ差動信号の逆相入力に接続されたＮＯＲゲート２１によって駆動される。この回路構成は、負論理入力を受けるＮＡＮＤゲートの正論理出力によってトランジスタＱ₂が駆動される回路構成と等価である。すなわち、ＮＡＮＤゲートの入力信号Ｂ₀Ｂ，Ｂ₁Ｂが共にローレベルになる場合にのみ、トランジスタＱ₂は導通する。言い換えれば、入力信号Ｂ₀，Ｂ₁が共にハイレベルになる場合にのみ、トランジスタＱ₂は導通する。このことは、入力信号Ｂ₀，Ｂ₁がハイレベルになる場合にのみ、補償ユニット２０ａがバイアス電流Ｉ_ANDをＶＣＳＥＬ３に供給することを意味する。下の表２は、図３に示されるＰＡＭ信号発生器１Ｂの真理値表と、ＶＣＳＥＬ３を流れる合計の電流量とを概略的に示す。

図４は、ＶＣＳＥＬ３のＩ−Ｌ特性と、補償ユニット２０ａから供給される付加電流Ｉ_ANDを考慮した、ＶＣＳＥＬ３を流れる電流Ｉ_VCSELの大きさとを示す。ＶＣＳＥＬ３を流れる電流Ｉ_VCSELが大きい領域においてＶＣＳＥＬ３の光出力パワーＰｆが飽和しているにもかかわらず、補償ユニット２０ａから供給される付加電流Ｉ_ANDがこの飽和を効果的に補償する。そして、光出力パワーＰｆにおいて、隣り合う２つの論理レベル「１０」と「１１」における互いに区別可能な大きな差が確保される。

図５は、図３に示されたレーザ駆動回路からの変形例として、ＰＡＭ信号発生器の別の回路図を示す。図５に示されるＰＡＭ信号発生器１Ｃは、図３に示されたＰＡＭ信号発生器と同じ機能を有するが、ＮＯＲゲートが省略されている。すなわち、図５に示された回路は、図１に示されたＰＡＭ信号発生器１Ａに加えて、補償ユニット２０ｂを更に含む。補償ユニット２０ｂは、対トランジスタＱ₂、Ｑ₂Ｂ_a及びＱ₂Ｂ_bと、付加電流Ｉ_ANDを供給する電流源２２ａとを含む差動増幅器を有する。トランジスタＱ₂は参照電圧Ｖ_COMをそのベース（制御端子）に受けるとともに、そのコレクタ（他方の電流端子）はＶＣＳＥＬ３を介して電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされている。他方の対トランジスタＱ₂Ｂ_a及びＱ₂Ｂ_bのそれぞれのコレクタもまた、電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされているが、しかしそれは模擬ダイオードＤ_2aおよびＤ_2bをそれぞれ介してである。

対トランジスタＱ₂、Ｑ₂Ｂ_a及びＱ₂Ｂ_bの各エミッタ（一方の電流端子）は、電流Ｉ_ANDを供給する電流源２２ａを介して接地されている。図５に示された本変形例のＰＡＭ信号発生器１Ｃの特徴は、対トランジスタＱ₂Ｂ_a及びＱ₂Ｂ_bそれぞれが差動増幅器ＡＭＰ₀及びＡＭＰ₁それぞれの逆相出力を受けることである。

補償ユニット２０ｂの機能について説明する。補償ユニット２０ｂにおいて、対トランジスタＱ₂Ｂ_a及びＱ₂Ｂ_bへの逆相入力のうち少なくとも一方がハイレベルとなったとき、付加電流Ｉ_ANDが模擬ダイオードＤ_2a及び／又はＤ_2bを流れる。そして、正相トランジスタＱ₂には付加電流Ｉ_ANDが実質的に流れない。このことは、追加の電流がＶＣＳＥＬ３を流れないことを意味する。言い換えれば、付加電流Ｉ_ANDは、逆相トランジスタＱ₂Ｂ_a及びＱ₂Ｂ_bの双方が非導通状態となったときにのみ正相トランジスタＱ₂に流れる。逆相トランジスタＱ₂Ｂ_a及びＱ₂Ｂ_bが差動増幅器ＡＭＰ₀及びＡＭＰ₁それぞれの逆相出力を受けるので、正相トランジスタＱ₂は、正相入力Ｂ₀及びＢ₁の双方がハイレベルとなったときにのみ、付加電流Ｉ_ANDを流すために導通状態となる。このように、付加電流（補償電流）Ｉ_ANDは、２つの正相入力Ｂ₀及びＢ₁がハイレベルになったときにのみ、電流Ｉ_VCSELの大きい領域においてＶＣＳＥＬ３の出力光パワーＰｆを補償するために、ＶＣＳＥＬ３を流れる。この補償は、隣接する２つの論理レベル「１０」及び「１１」を区別するために、出力光パワーＰｆの大きな差を確保する。

以上に説明した本実施形態によれば、ＶＣＳＥＬ３が有するＩ−Ｌ特性の非線形性を簡易な構成でもって補償することができる。また、補償ユニット２０ａ及び２０ｂは、第１差動入力信号及び第２差動入力信号それぞれの逆相信号Ｂ₀Ｂ，Ｂ₁Ｂに基づいて付加電流Ｉ_ANDを供給するので、補償ユニット２０ａ及び２０ｂの回路構成をより単純にすることができる。

（第３実施形態）
本発明は、添付の図面を参照しながら好ましい実施形態と共に完全に記述されているが、様々な変化や修正が当業者にとって明らかであることが理解される。

例えば、上記各実施形態は、２つの論理信号のためのＰＡＭ信号発生器、すなわち４つの区別可能な光レベルを発生するＰＡＭ信号発生器に的を絞って記載された。しかしながら、本発明のＰＡＭ信号発生器の概念は、３ビット（すなわち、８つの出力レベル）を有する論理信号に拡張され得る。図６は、３ビットの論理信号を８つの出力レベルに変換するＰＡＭ信号発生器（レーザ駆動回路）１Ｄの回路図である。図６に示されるＰＡＭ信号発生器１Ｄは、ＶＣＳＥＬ３に対して共通に直列接続された差動ユニット１０ａ、１０ｂ及び１０ｃを備える。第３差動ユニット１０ｃは、第１差動ユニット１０ａ及び第２差動ユニット１０ｂと同様に、一対の第３トランジスタＱ₂及びＱ₂Ｂと、ＶＣＳＥＬ３への電流Ｉ_B2を発生する電流源１２ｃとを備える。第３差動ユニット１０ｃは、第３差動入力信号（正相信号Ｂ₂及び逆相信号Ｂ₂Ｂ）を受ける。正相信号Ｂ₂は、一方のトランジスタＱ₂のベース（制御端子）に入力される。逆相信号Ｂ₂Ｂは、他方のトランジスタＱ₂Ｂのベースに入力される。一対の第３トランジスタＱ₂，Ｑ₂Ｂの各エミッタ（一方の電流端子）は、第３の電流Ｉ_B2を供給する第３電流源１２ｃに共通に接続されており、第３電流源１２ｃを介して接地されている。一方のトランジスタＱ₂のコレクタ（他方の電流端子）は、ＶＣＳＥＬ３のカソードに電気的に接続されており、電源線１３からＶＣＳＥＬ３を介して提供される電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされている。他方のトランジスタＱ₂Ｂのコレクタは、第３模擬ダイオードＤ₃を介してＶＣＳＥＬ３のアノードに電気的に接続されており、電源線１３から第３模擬ダイオードＤ₃を介して提供される電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされている。電流Ｉ_B0〜Ｉ_B2の大きさは、以下の説明においてＩ_B0＜Ｉ_B1＜Ｉ_B2とされる。各差動ユニット１０ａ〜１０ｃは、入力Ｂ₀〜Ｂ₂がハイレベルであるときにのみ、電流Ｉ_B0〜Ｉ_B2を供給できる。下の表３は、ＶＣＳＥＬ３を流れる電流Ｉ_VCSELと、各ビットの可能な組合せとの関係を示す。

図７は、図６に示されるＰＡＭ信号発生器１Ｄにより駆動されるＶＣＳＥＬ３のＩ−Ｌ特性を示す。なお、図７では、ＶＣＳＥＬ３が出力飽和を示さないものとする。

既に述べているとおり、各電流Ｉ_B0〜Ｉ_B2がＩ_B0＜Ｉ_B1＜Ｉ_B2の関係を満たすとみなされるとき、ＶＣＳＥＬ３の光学出力パワーＰｆは８つの論理レベルを与えることができる。具体的には、第２の電流Ｉ_B1は第１の電流Ｉ_B0の２倍の大きさを有する。そして、第３の電流Ｉ_B2は、第２の電流Ｉ_B1の２倍の大きさを有する。しかしながら、電流Ｉ_B0〜Ｉ_B2の関係はこれに限定されない。そして、Ｉ_B1＞Ｉ_B0且つＩ_B2＞Ｉ_B1＋Ｉ_B0の条件が満たされる限り、ＶＣＳＥＬ３は識別可能な８つのレベルを有する光学出力パワーＰｆを発生させることができる。

ＰＡＭ信号発生器１Ｄが３ビットの入力信号を受信して８つの識別可能な駆動電流Ｉ_VCSELを発生させる場合であっても、ＶＣＳＥＬ３の出力飽和によって生じる非線形性の補償を行うことができる。図８は、補償ユニットを有し、識別可能な８つの出力レベルを生成するＰＡＭ信号発生器（レーザ駆動回路）１Ｅの回路図である。既に述べているとおり、ＶＣＳＥＬ３の光学出力パワーが飽和を示すので、図８に示されるＰＡＭ信号発生器１Ｅは第１補償ユニット２０ｃ及び第２補償ユニット２０ｄを備える。一方の補償ユニット２０ｃは、Ｉ_B1＋Ｉ_B2に対応する出力レベルを補償する為に設けられる。そして、他方の補償ユニット２０ｄは、Ｉ_B0＋Ｉ_B1＋Ｉ_B2に対応する出力レベルを補償する為に設けられる。すなわち、第１補償ユニット２０ｃは、トランジスタＱ₀が非導通状態になり、トランジスタＱ₁及びトランジスタＱ₂が導通する場合に、ＶＣＳＥＬ３に第１付加電流Ｉ_AND0を供給する。第２補償ユニット２０ｄは、トランジスタＱ₀，Ｑ₁，及びＱ₂の全てが導通する場合に、ＶＣＳＥＬ３に第２付加電流Ｉ_AND1を供給する。下の表４は、ＶＣＳＥＬ３を流れる電流Ｉ_VCSELと、各ビットの可能な組合せとの関係を示す。

図９は、ＶＣＳＥＬのＩ−Ｌ特性と、補償ユニット２０ｃ，２０ｄから供給される付加電流Ｉ_AND0及びＩ_AND1を考慮した、ＶＣＳＥＬ３を流れる電流の大きさとを示す。駆動電流Ｉ_VCSELの大きい領域においてＶＣＳＥＬ３の光出力パワーＰｆが飽和しているにもかかわらず、補償ユニット２０ｃ，２０ｄから供給される付加電流Ｉ_AND0及びＩ_AND1がこの飽和を効果的に補償する。そして、隣り合う２つの論理レベルにおける互いに区別可能な大きな差は、論理レベル「１０１」と「１１０」との間の光出力パワー、及び論理レベル「１１０」と「１１１」との間の光出力パワーを確保する。

補償ユニット２０ｃは、ＮＯＲゲート２１ｂと、ＮＯＲゲート２１ｂの後段に設けられたトランジスタＱ₃及びＱ₃Ｂとを含む。トランジスタＱ₃およびＱ₃Ｂの各エミッタ（一方の電流端子）は、電流Ｉ_AND0を供給する電流源２２ｂを介して接地されている。補償ユニット２０ｃは、逆相信号Ｂ₁Ｂ及びＢ₂Ｂに基づいて付加電流Ｉ_AND0を供給する。具体的には、ＮＯＲゲート２１ｂはＰＡＭ信号発生器１Ｅへの逆相入力Ｂ₁Ｂ及びＢ₂Ｂを受け、その正相出力（Ｂ₁ＢとＢ₂Ｂとの論理和）によってトランジスタＱ₃Ｂの駆動を行う。これにより、ＮＯＲゲート２１ｂの少なくとも一つの入力がハイレベルになったときに付加電流Ｉ_AND0が模擬ダイオードＤ₃を流れる。これは、逆相入力Ｂ₁Ｂ，Ｂ₂Ｂの双方がローレベルになったとき（すなわち、正相入力Ｂ₁及びＢ₂の双方がハイレベルになったとき）にのみ、付加電流Ｉ_AND0がＶＣＳＥＬ３を流れることを意味する。従って、図８のＰＡＭ信号発生器１Ｅは、入力「１１０」の組合せに対応して、Ｉ_BIAS＋Ｉ_B1＋Ｉ_B2＋Ｉ_AND0の駆動電流をＶＣＳＥＬ３に生じさせる。ＮＯＲゲート２１ｃ、対トランジスタＱ₄及びＱ₄Ｂ、及び電流Ｉ_AND0を供給する電流源２２ｃを含む他方の補償ユニット２０ｄは、上記と同様に動作する。補償ユニット２０ｄは、逆相信号Ｂ₀Ｂ、Ｂ₁Ｂ及びＢ₂Ｂに基づいて付加電流Ｉ_AND0を供給する。具体的には、ゲート２１ｃは、その逆相入力Ｂ₀Ｂ，Ｂ₁Ｂ及びＢ₂Ｂがローレベルになったとき（すなわち、３つの正相入力Ｂ₀〜Ｂ₂がハイレベルになったとき）にのみ、その逆相出力がハイレベルとなる。この補償ユニット２０ｄは、電流Ｉ_B0、Ｉ_B1、Ｉ_B2およびＩ_AND0に加えて、他の付加電流Ｉ_AND1をＶＣＳＥＬ３へ供給する。このように、Ｉ_B0＋Ｉ_B1＋Ｉ_B2の駆動電流に対応する光学出力パワーＰｆの飽和は、付加電流Ｉ_AND0およびＩ_AND1によって補償されることができる。光学出力パワーＰｆの飽和は、Ｉ_B0＋Ｉ_B1＋Ｉ_B2の駆動電流においてより大きくなる。従って、他方の補償電流Ｉ_AND1は、好ましくは一方の補償電流Ｉ_AND0よりも大きい。なお、電流Ｉ_B0＋Ｉ_B1が電流Ｉ_B2よりも小さいので、図８に示されるＰＡＭ信号発生器１Ｅでは、電流Ｉ_B0＋Ｉ_B1のための補償ユニットが省略されている。

図１０は、８つの識別可能な論理レベルによるＶＣＳＥＬ３への駆動電流Ｉ_VCSELを発生させることができる別のＰＡＭ信号発生器（レーザ駆動回路）１Ｆの回路図である。このＰＡＭ信号発生器１Ｆは、ＶＣＳＥＬ３の出力光パワーの飽和のための補償ユニット２０ｅ，２０ｆを備える。なお、図１０に示される回路は、図８に示された回路に対応する。すなわち、図１０に示される補償ユニット２０ｅ，２０ｆでは、図８に示された２つのＮＯＲゲート２１ｂ及び２１ｃが除かれ、２つの差動ユニットが設けられている。一方の差動ユニットは３つのトランジスタＱ₃〜Ｑ₃Ｂ_bと、電流源２２ｂとを有し、他方の差動ユニットは４つのトランジスタＱ₄〜Ｑ₄Ｂ_cと、電流源２２ｃとを含む。各駆動電流Ｉ_B1＋Ｉ_B2およびＩ_B0＋Ｉ_B1＋Ｉ_B2に付加電流Ｉ_AND0及びＩ_AND1を加えるための仕組みは、図８の回路と同様である。すなわち、トランジスタＱ₃Ｂ_a及びＱ₃Ｂ_bがローレベルの信号を受けたとき（２つの増幅器ＡＭＰ₁及びＡＭＰ₂の逆相出力がローレベルになったこと、及びそれぞれの正相入力Ｂ₁及びＢ₂がハイレベルになったことを意味する）、トランジスタＱ₃のみが、付加電流Ｉ_AND0をＶＣＳＥＬ３に流すために導通する。他方の補償ユニット２０ｆにおいては、３つのトランジスタＱ₄Ｂ_a〜Ｑ₄Ｂ_c全てが非導通状態になったとき（すなわち、アンプＡＭＰ₀〜ＡＭＰ₂の逆相出力がローレベルになったとき、言い換えれば、それぞれの正相入力Ｂ₀〜Ｂ₂がハイレベルになったとき）、トランジスタＱ₄のみが導通状態となり、そこに付加電流Ｉ_AND1が流れる。

このように、２つの正相入力Ｂ₁及びＢ₂がハイレベルになる場合（「１１０」または「１１１」の状態に対応する）にのみ、付加電流Ｉ_AND0が供給される。そして、３つの入力Ｂ₀〜Ｂ₂全てがハイレベルになる場合（「１１１」の状態に対応する）にのみ、他方の付加電流Ｉ_AND1が供給される。

以上に説明した本実施形態のＰＡＭ信号発生器１Ｄ〜１Ｆによれば、基本的に一対のトランジスタ及び電流源によって構成される差動ユニット１０ａ〜１０ｃによりＰＡＭ信号を生成できるので、リニアな光素子駆動回路を用いることなく、低電力、小回路規模でＰＡＭ信号光を生成することができる。また、本実施形態のように、電流Ｉ_B1の大きさは、電流Ｉ_B0の大きさの２倍であり、電流Ｉ_B2の大きさは、電流Ｉ_B1の大きさの２倍であることが好ましい。これにより、各レベルの光強度の間隔が等しい８レベルのＰＡＭ信号を好適に生成できる。

また、ＰＡＭ信号発生器１Ｅ及び１Ｆのように、補償ユニット２０ｃ及び２０ｄ（若しくは２０ｅ及び２０ｆ）が更に設けられることが好ましい。これにより、ＶＣＳＥＬ３が有するＩ−Ｌ特性の非線形性を簡易な構成でもって補償することができる。また、補償ユニット２０ｃ〜２０ｆは、第１差動入力信号ないし第３差動入力信号それぞれの逆相信号Ｂ₀Ｂ，Ｂ₁Ｂ，Ｂ₂Ｂに基づいて付加電流Ｉ_AND0，Ｉ_AND1を供給するので、補償ユニット２０ｃ〜２０ｆの回路構成をより単純にすることができる。

また、本実施形態のように、トランジスタＱ₀Ｂのコレクタ（他方の電流端子）は模擬ダイオードＤ₀を介して提供される電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされ、トランジスタＱ₁Ｂのコレクタは模擬ダイオードＤ₁を介して提供される電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされ、トランジスタＱ₂Ｂのコレクタは模擬ダイオードＤ₂を介して提供される電源電圧Ｖ_CCによってバイアスされることが好ましい。これにより、差動ユニット１０ａ〜１０ｃそれぞれの動作特性を均一化し、バランス良く動作させることができる。

以上に述べた本発明の各実施形態は、あらゆる点において、例示的であり限定的ではないと考えられるべきである。添付される特許請求の範囲及びその均等物により本発明の範囲は決定される。

１Ａ〜１Ｆ…信号発生器、３…垂直共振器面発光型レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…差動ユニット、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…電流源、１３…電源線、２０ａ〜２０ｆ…補償ユニット、２１，２１ｂ，２１ｃ…ＮＯＲゲート、２２ａ〜２２ｃ…電流源、２５…バイアス電流源、ＡＭＰ₀，ＡＭＰ₁，ＡＭＰ₂…差動増幅器（アンプ）、Ｂ₀，Ｂ₁，Ｂ₂…正相入力信号、Ｂ₀Ｂ，Ｂ₁Ｂ，Ｂ₂Ｂ…逆相入力信号、Ｄ₀，Ｄ₁，Ｄ₂…模擬ダイオード、ＧＮＤ…接地点、Ｉ_AND，Ｉ_AND0，Ｉ_AND1…付加電流（補償電流）、Ｉ_B0，Ｉ_B1，Ｉ_B2…電流、Ｉ_BIAS…バイアス電流、Ｉ_VCSEL…駆動電流。

Claims (11)

1. レーザダイオードの駆動電流を互いに異なる複数のレベル間で変化させて多値変調を行うレーザ駆動回路であって、
   第１電流源と、それぞれの一方の電流端子が該第１電流源に共通に接続された一対の第１トランジスタと、を有し、一方の前記第１トランジスタの制御端子が第１差動入力信号の正相信号を受け、他方の前記第１トランジスタの制御端子が前記第１差動入力信号の逆相信号を受け、前記一方の第１トランジスタの他方の電流端子が前記レーザダイオードのカソードに電気的に接続される第１差動ユニットと、
   前記第１電流源が供給する電流よりも大きな電流を供給する第２電流源と、それぞれの一方の電流端子が該第２電流源に共通に接続された一対の第２トランジスタと、を有し、一方の前記第２トランジスタの制御端子が第２差動入力信号の正相信号を受け、他方の前記第２トランジスタの制御端子が前記第２差動入力信号の逆相信号を受け、前記一方の第２トランジスタの他方の電流端子が前記レーザダイオードのカソードに電気的に接続される第２差動ユニットと、を備える、レーザ駆動回路。
2. 前記第２電流源が供給する電流の大きさは、前記第１電流源が供給する電流の大きさの２倍である、請求項１に記載のレーザ駆動回路。
3. 前記一方の第１トランジスタ及び前記一方の第２トランジスタの双方が導通する場合に、前記レーザダイオードに付加電流を供給する補償ユニットを更に備える、請求項１または２に記載のレーザ駆動回路。
4. 前記補償ユニットは、前記第１差動入力信号及び前記第２差動入力信号それぞれの逆相信号に基づいて前記付加電流を供給する、請求項３に記載のレーザ駆動回路。
5. 前記他方の第１トランジスタの他方の電流端子は、第１模擬ダイオードを介して前記レーザダイオードのアノードに電気的に接続され、
   前記他方の第２トランジスタの他方の電流端子は、第２模擬ダイオードを介して前記レーザダイオードのアノードに電気的に接続される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ駆動回路。
6. 前記第１電流源が供給する電流及び前記第２電流源が供給する電流よりも大きな電流を供給する第３電流源と、それぞれの一方の電流端子が該第３電流源に共通に接続された一対の第３トランジスタと、を有し、一方の前記第３トランジスタの制御端子が第３差動入力信号の正相信号を受け、他方の前記第３トランジスタの制御端子が前記第３差動入力信号の逆相信号を受け、前記一方の第３トランジスタの他方の電流端子が前記レーザダイオードのカソードに電気的に接続される第３差動ユニットを更に備える、請求項１に記載のレーザ駆動回路。
7. 前記第２電流源が供給する電流の大きさは、前記第１電流源が供給する電流の大きさの２倍であり、
   前記第３電流源が供給する電流の大きさは、前記第２電流源が供給する電流の大きさの２倍である、請求項６に記載のレーザ駆動回路。
8. 前記一方の第１トランジスタが非導通状態になり、前記一方の第２トランジスタ及び前記一方の第３トランジスタが導通状態になる場合に、前記レーザダイオードに第１付加電流を供給する第１補償ユニットと、
   前記一方の第１トランジスタ、前記一方の第２トランジスタ、及び前記一方の第３トランジスタの全てが導通状態になる場合に、前記レーザダイオードに第２付加電流を供給する第２補償ユニットと、を更に備える、請求項６または７に記載のレーザ駆動回路。
9. 前記第１補償ユニットは、前記第２差動入力信号及び前記第３差動入力信号それぞれの逆相信号に基づいて前記第１付加電流を供給し、
   前記第２補償ユニットは、前記第１差動入力信号、前記第２差動入力信号、及び前記第３差動入力信号それぞれの逆相信号に基づいて前記第２付加電流を供給する、請求項８に記載のレーザ駆動回路。
10. 前記他方の第１トランジスタの他方の電流端子は、第１模擬ダイオードを介して前記レーザダイオードのアノードに電気的に接続され、
    前記他方の第２トランジスタの他方の電流端子は、第２模擬ダイオードを介して前記レーザダイオードのアノードに電気的に接続され、
    前記他方の第３トランジスタの他方の電流端子は、第３模擬ダイオードを介して前記レーザダイオードのアノードに電気的に接続される、請求項６〜９のいずれか一項に記載のレーザ駆動回路。
11. 前記レーザダイオードのカソードに電気的に接続され、前記レーザダイオードのバイアス電流を供給するバイアス電流源を更に備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ駆動回路。

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