JP2932100B2 - レーザダイオード制御回路 - Google Patents

レーザダイオード制御回路

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JP2932100B2
JP2932100B2 JP3500030A JP50003091A JP2932100B2 JP 2932100 B2 JP2932100 B2 JP 2932100B2 JP 3500030 A JP3500030 A JP 3500030A JP 50003091 A JP50003091 A JP 50003091A JP 2932100 B2 JP2932100 B2 JP 2932100B2
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、レーザダイオードの制御回路、及びレー
ザダイオードの制御方法に関する。
良く知られているように、例えば光伝送システムの光
源として使用されるレーザダイオードの特性曲線（電流
に対する光出力電力）は、一般的にレーザダイオードの
動作に要求される領域であるほぼリニア領域の下部に、
非直線性の折曲り部、すなわち膝部を有している。従っ
て、通常は、レーザダイオードがその折曲り部の上部の
リニア領域で動作するようにバイアス電流をレーザダイ
オードに供給する。バイアス電流が不十分であれば、レ
ーザダイオードは非直線性で動作し、そして、バイアス
電流が過剰であれば、レーザダイオードは電力を浪費す
る。
レーザダイオードで問題となる点は、エージングや温
度変化によって、レーザダイオードの特性曲線、特に、
折曲り部の位置（最適なバイアス電流）及び折曲り部の
上部のリニア領域のスロープが時間とともに変化するこ
とである。従って、レーザダイオードに対しては、少な
くともバイアス電流の設定においては、適応型制御回路
が要求されるということが知られている。例えば、トリ
メルによる1983年５月24日発行の米国特許4,385,387
号、発明の名称「レーザダイオードのプリコンダクショ
ン電流制御」において、バイアス電流が正弦波成分を含
むように正弦波パイロット信号が挿入され、帰還ループ
を介してバイアス電流（プリコンダクション電流と呼ば
れる）が制御される構成について説明されている。その
帰還ループにおいて、レーザダイオード出力中の正弦波
信号成分の一部は、正弦波の選択された時間間隔の間に
検出されて、その検出出力が整流され、バイアス電流を
制御するために閾値と比較される。
第２の例として、メールマンによる1982年８月31日発
行の米国特許4,347,610号、発明の名称「レーザの駆動
電流の制御回路」において、バイアス電流又は変調電流
のいずれかが２つのコンスタントな増幅信号相互変調信
号に基づくフィードバックループによって制御される構
成が説明されている。その中で、１つの実施例は送信信
号中に存在する信号に依存し、他の実施例は送信前に送
られる２つの信号を追加している。
バイアス電流が正弦波成分を含むように正弦波パイロ
ット信号が挿入され、帰還ループを介してバイアス電流
（プリコンダクション電流と呼ばれる）が制御される構
成についてその帰還ループにおいて、レーザダイオード
出力中の正弦波信号成分の一部は、正弦波の選択された
時間間隔の間に検出されて、その検出出力が整流され、
バイアス電流を制御するための閾値と比較される。
そのような良く知られた構成は、適応的な制御レベル
を提供するが、それは比較的に複雑であり、レーザダイ
オードの特性曲線の変化に対して十分な補償ができな
い。特に、特性曲線のリニア領域のスロープの変化に対
して十分な補償ができない。
従って、この発明の目的は改良されたレーザダイオー
ドの制御回路を提供することにある。
この発明の一つは、レーザダイオードの制御回路を提
供することにあり、これは、アンプを含みレーザダイオ
ードのバイアス電流を制御する第１の制御手段と、アン
プの一入力にパイロット信号を供給する手段と、このア
ンプの出力のパイロット信号レベルに応じてレーザダイ
オードの変調電流を制御する第２の制御手段とから構成
される。
このように、この制御回路は、２つの内部接続制御ル
ープを含み、その制御ループはレーザのバイアス電流と
変調電流をそれぞれ制御する。上記パイロット信号はバ
イアス電流を制御するため制御ループ内で増幅されるの
で、レーザダイオードの所定の平均電力を出力するアン
プでの出力パイロット信号のレベルは、そのレーザダイ
オードの特性曲線のリニア領域のスロープを表わす。こ
の発明によれば、このパイロット信号のレベルは、レー
ザダイオードの変調電流を制御する上記第２の制御ルー
プの中で用いられる。このように、この２つの制御ルー
プは、制御ループが、エージングや温度変化等による特
性曲線の変化を補償するために、適応的に維持されるこ
とによって、レーザダイオードが特性曲線のリニア領域
の所定の部分で動作するように相互に作用する。
第２の制御手段は、基準電圧と比較の結果、上記アン
プの出力でのパイロット信号レベルを表わす出力電圧を
発生するためにパロット信号を検出する手段から構成さ
れる。このパイロット信号は、便宜的にはパイロット・
トーンから構成され、パイロット信号を検出する手段
は、同期検出器及び／又はローパスフィルタから構成さ
れる。
この発明の実施例においては、比較的高い減衰率を有
し、特性曲線のほぼ折曲り部でのバイアス電流によって
動作するレーザダイオードの動作に対して、上記第２の
制御手段は、好ましくは、更に、出力電圧を基準電圧と
比較する手段と、その比較結果に応じて変調電流を制御
する手段を含む。
またこの発明の実施例において、比較的低い減衰率を
有し、特性曲線の折曲り部のかなり上方でのバイアス電
流によって動作するレーザダイオードの動作に対して、
上記第２の制御手段は、好ましくは、更に、出力電圧を
増幅する手段と、増幅された出力電圧に応じて変調電流
を制御する手段と、上記出力電圧と基準電圧とに応じて
電圧を発生する手段とを含む。この電圧に応答して、変
調電流を制御する手段は更に所定の動作領域でレーザダ
イオードの動作を確立するように動作する。
この発明の他の態様によれば、この発明はレーザダイ
オードを制御する方法を提供することにあり、この制御
方法は、レーザダイオードの出力を検出し、前記の検出
された出力を前記パイロット信号と組み合わせ、その組
み合わされた信号を増幅し、増幅されたレベルをパイロ
ット信号成分として有する増幅された信号を発生し、前
記の増幅された信号に従って前記レーザダイオードのバ
イアス電流を制御し、前記の増幅された信号中の前記パ
イロット信号の増幅レベルに従ってレーザダイオードの
変調電流を制御する。
この変調電流を制御するステップは、好ましくは、増
幅信号の中のパイロット信号のレベルを検出して、その
検出されたパイロット信号のレベルを基準レベルと比較
するように構成される。
この発明は、以下の添付図面を引用した以下の説明に
より、更によく理解されるであろう。
図１は、この発明の実施例のレーザ制御回路のブロッ
ク図を示す。
図2aと図2bは、図１のレーザ制御回路の動作図を示
す。
図３は、図１のレーザ制御回路の一実施例の回路図を
示す。
図４は、図１と図３のレーザ制御回路の好ましい動作
を示す図である。
図５は、図３の回路図の一部分の変形例を示す。
図６は、図４に示す変形例のレーザ制御回路の動作図
を示す。
図１は、レーザダイオードモジュール10用の制御回路
のブロック図を示す。そのモジュールはレーザーダイオ
ードを含み、そのレーザーダイオードは、線12を経て供
給されるデータに従って変調され変調光信号を発生し、
光伝送路（図示せず）を介してデータを伝送する。レー
ザダイオードモジュール10は、制御回路の制御電流源1
4、16によってそれぞれ定められる電流IbとImとを流
す。電流Ibは、レーザダイオードがその特性曲線の折曲
り部の上部のほぼリニア領域で動作するためにバイアス
するバイアス電流である。電流Imは、レーザダイオード
を介して流れ、又はデータに従属しないで流れる変調電
流であり、それによって、レーザダイオードによって発
生された光信号を変調する。
制御電流デバイス14、16に加えて、制御回路はレーザ
ダイオードで発生された光信号のバックファセット成分
を検出するためのピンダイオード検出器18、パイロット
・トーン発生器20、パイロット・トーン検出器22、及び
差動アンプ24、26を含む。
検出器18、アンプ24及び制御電流源14は、第１の帰還
ループを形成し、その第１の帰還ループはレーザダイオ
ードの平均電力を安定化するためにレーザダイオードの
アイアス電流Ibを制御する。この目的のために、検出器
18の出力はアンプ24で増幅され、そのアンプ出力は電流
源14を制御するために用いられ、それにより電流Ibを制
御する。パイロット・トーン発生器20と、パイロット・
トーン検出器22、アンプ26及び制御電流源16は、レーザ
ダイオード変調電流Imを制御する第２の帰還ループを形
成する。この目的のために、パイロット・トーン発生器
20の出力はアンプ24において検出器18の出力から差引か
れ、パイロット・トーン検出器22はアンプ24の出力に存
在するパイロット・トーンのレベルを検出し、アンプ26
は比較器として動作し、そのパイロット・トーンの検出
レベルを基準電圧Vrefと比較して、電流源16を制御す
る。パイロット・トーン検出器22は、同期検出器を用い
ることが好ましく、従って、パイロット・トーン発生器
20から線28を介してパイロット・トーンが供給される。
この制御回路の動作は、図2aと図2bを参照して以下に
説明する。この図は、レーザダイオードの電流に対して
プロットされるレーザダイオードの出力電力、及び同時
に変調された光出力信号の特性曲線を示す。その出力信
号は、光伝送路に伝送されるばかりでなく検出器18によ
っても検出される。この特性曲線は、閾値又は折曲り部
42の上部にほぼリニアな領域40を有する。変調された光
出力信号は、パイロット・トーン信号の正弦波変化を表
わす信号包絡線44と、変調データのビットレートで発生
する高速データ遷移部46を有する。レーザダイオード電
流は、バイナリ０のデータビットに対してはIbであり、
まだバイナリ１のデータビットに対してはIb＋Imであ
る。
図2aと図2bとは、それぞれ、レーザダイオードからの
平均出力電力Apは同じであるが、バイアス電流Ibが特性
曲線の折曲り部42の上又は下にある場合の動作図を示
す。その平均電力Apは、レーザダイオードの出力電力の
平均値を示し、バイナリ０とバイナリ１のデータビット
に対応してそれぞれ電流IbとIb＋Imをを流す。図2aと図
2bとは、それぞれ基準電圧Vrefが高いレベル又は低いレ
ベルの動作と対応する。
図2aにおいて、平均電力レベルApを供給するために、
比較的高いバイアス電流Ibと比較的低い変調電流Imとを
有している。レーザダイオードはリニア領域40の中で動
作するので、パイロット・トーンの正弦波信号包絡線は
データのバイナリ１とバイナリ０の両者に対して出力中
に現れる。レーザダイオードの効率（リニア領域40のス
ロープとして示される）とアンプ24の利得に応じて、あ
るレベルのパイロット・トーンがアンプ24の出力に発生
され、このパイロット・トーンは変調電流Imを決定する
ために検出器22によって検出される。
図2bにおいて、同じ平均電力レベルApを提供するため
に、比較的低いバイアス電流Ibと比較的高い変調電流Im
とを有している。レーザダイオードはデータのバイナリ
１に対してはリニア領域40中で動作し、データのバイナ
リ０に対しては折曲り部42の下方で動作するので、図2b
に示すように、パイロット・トーンの正弦波信号包絡線
はバイナリ０に対する変調信号出力中では大きく減少す
る。従って、アンプ24の出力でより大きなレベルのパイ
ロット・トーンが発生され、それが検出器22によって検
出され、より高い変調電流Imが決定される。
基準電圧Vrefのレベルは、所定の平均電力Apに対し
て、変調電流Imの値を定め、それによって折曲り部42に
関連するデータ０のレベル（バイアス電流Ib）の位置を
定める。例えば、もしレーザ効率が減少するならば、特
性曲線のほぼリニアな領域40のスロープは緩やかになる
ので、回路はパイロット・トーンに対し一定の変調深さ
を維持するために変調電流Imを増加させる。一方、もし
Imを増加するためVrefが増加するならば、構成要素18、
24及び14から構成される制御ループは同じ平均電力Apを
維持するためIbを減少する。このように、基準電圧Vref
のレベルは、折曲り部42に関して正確にバイアス電流Ib
を位置決めする。例えば、レーザダイオードの最大ピー
ク電力のため最大の平均電力Apを供給するために正確に
その折曲り部42の点が位置決めされる。
図３は、図１のより詳細な制御回路を示し、図１と同
一の符号は同一の要素を示している。図３において、レ
ーザダイオードモジュール10は、レーザダイオード50を
含み、このレーザダイオード50は２つの差動的に接続さ
れたFET（電界効果トランジスタ）52、54の制御パスに
接続され、これらのFETは線12上のデータ信号によって
差動的に駆動される。更に、FET56は、現在導通してい
るFET52、54のどちらか一方を通過する変調電流Imを制
御する。更に、FET58は、レーザダイオード50を連続的
に流れるバイアス電流Ibを制御する。制御電流源14は、
その細部と配線は図３に示されるように、5mA/Vの電圧
・電流変換回路で構成され、制御電流源は、図３のブロ
ックで簡単に示すように同様な変換回路（Ｖ−Ｉ変換回
路）によって構成される。
上記検出器18はピンダイオード60とインピーダンス変
換アンプ64から構成され、このピンダイオード60は、矢
印62に示すようにレーザダイオード50からのバックファ
セット光を受けるために配置される。差動アンプ24は、
負帰還パスの中にコンデンサ66を設けることによりルー
プフィルターとしての機能を有する。また差動アンプ24
は、パイロット・トーン発生器20によって構成される発
振器から周波数5kHzの0.1Vpp（ピーク・ピーク間）の振
幅信号が供給され、それにより、５％以下の非常に小さ
い変調深さを提供する。パイロット・トーン検出器22
は、同期検出器68と次段のローパルフィルタ70から構成
される。この同期検出器68は、線28を介してより高い振
幅を有する0.5Vppのパイロット・トーンと、アンプ24の
出力が供給される。この同期検出器68は、NE602型集積
回路で構成してもよい。アンプ26は、このローパスフィ
ルタ70の出力と、上記で述べたようにマニュアルで設定
される基準電圧Vrefとが供給され、負帰還パスに積分コ
ンデンサ72を含んでいる。
図３の制御回路において、インピーダンス変換アンプ
64のゲインは、レーザーダイオードの所定の平均出力電
力をセットするために、アンプ64の負帰還路の可変抵抗
74の抵抗値を調整することによって変化される。例えば
図４に例示されるように、基準電圧Vrefは、バイアス電
流Ibの動作点を特性曲線の折曲り部42に置いて、所定の
出力電力包絡線を供給するように設定される。図４はバ
イナリ０のデータビットに対するパイロット・トーン包
絡線44の形が異なる点を除いては、図2aや図2bと同じで
ある。
上述の制御回路は、特に200Mb/sオーダー以上のデー
タビットレート又は比較的高い減衰率（例えば、バイナ
リ１とバイナリ０のデータビットに対する出力電力比）
で動作するレーザダイオードに対しては好都合である。
比較的低い減衰率の動作に対しては、約1550nmの光信号
波長に対しては光ファイバが分散的であるので、レーザ
ダイオード“チャープ（Chirp）”、すなわち波長変
化、が減少するようにすることが必要又は好ましいの
で、図５と図６で以下に説明するような制御回路の変形
形式が採用される。
この変形形式の制御回路においては、図３の回路の積
分アンプ26は、図５で示すように、可変抵抗76で設定さ
れる可変ゲインを有する非積分アンプ回路26′及び、差
動アンプ80、アイオード82及びコンデンサ84とから構成
される初期化すなわち非ラッチアンプ回路78で置き換え
られる。上記ローパスフィルタ70の出力は、回路26′中
の差動アンプ86の非反転入力に印加され、かつアンプ80
の反転入力にも印加される。そのアンプ80の非反転入力
には基準電圧Vrefが供給される。電圧／電流変換器16の
入力は、アンプ86の出力が印加され、更に、電圧／電流
変換器16の入力は、ダイオード82を介してアンブ80の出
力に結合され、またコンデンサ84を介して接地される。
この制御回路の残りの回路は、図３に示す回路と同じで
ある。
この変形形式の制御回路においては、図６に示すよう
に、上記と同様に平均電力Apと変調電流Imとを有し、こ
の変調電流Imは、所定の減衰率を供給するために可変抵
抗76によって設定される。図６さらに、図2a、図2b及び
図４においては、パイロット・トーン信号包絡線は、明
確にするために大きく誇張して示されている。例えば、
変調深さは上述の通り５％以下であり、典型的には約２
％である。図６で示すように通常の動作では、回路78は
機能しない。その理由は、アンプ80の出力がダイオード
82を逆方向にバイアスしているからである。しかしなが
ら、初期化又は異常な動作条件の場合には、回路78は、
図６に示すように特性曲線のリニア領域40上で動作し又
は維持する必要がある。
この発明の特有の実施例は、上述した通りであるが、
この請求項に記載したこの発明の請求の範囲内で他の多
くの変形、変更、改良が可能である。例えば、検出器18
は、バックファセット成分よりもむしろレーザダイオー
ドによって伝送される光線の一部分を検出するようにア
レンジできる。この発明はまた、レーザダイオードのバ
イナリ変調以外の他の変調にも応用できる。例えば、上
述したバイナリ０のレベルに対応して共通に生じる最小
変調レベルがある限り、３進法又はアナログ変調の構成
にも適用できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバーツ・キム・バイロン カナダ国，ケイ２ケイ １ピー４，オン タリオ，カナタ，バンティング クレッ シェント ８ (56)参考文献 特開 昭55−43898（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/096

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】入出力部を有するアンプおよび前記アンプ
    の入力の１つに接続されレーザダイオードによって放出
    された光を検出する検出器を含み、レーザダイオードの
    バイアス電流を制御し、その出力電力を安定化させる第
    １の制御手段と、 前記アンプの他の入力にパイロット・トーンを供給する
    手段と、 前記アンプの出力に接続され、前記アンプの出力での前
    記パイロット・トーン信号の増幅されたレベルに応じ
    て、前記レーザダイオードの変調電流を制御する第２の
    制御手段とを備え、 前記第２の制御手段は、前記パイロット信号の増幅され
    たレベルを検出し、基準電圧と比較することによって前
    記パイロット・トーン信号の増幅されたレベルを示す出
    力電圧を発生するトーン検出器手段、前記出力信号と基
    準信号とを比較して制御電圧を与える比較手段、および
    その制御電圧に応じて変調電流を制御する手段を含むこ
    とを特徴とするレーザダイオード制御回路。
  2. 【請求項２】請求項１において、パイロット・トーン信
    号を検出するトーン検出手段は同期検出器を含むことを
    特徴とするレーザダイオード制御回路。
  3. 【請求項３】請求項１において、パイロット・トーン信
    号を検出するトーン検出手段はローパスフィルタを含む
    ことを特徴とするレーザダイオード制御回路。
  4. 【請求項４】請求項１において、出力電圧を比較して制
    御電圧を与える手段は、制御電圧を供給するために出力
    電圧を増幅する手段を含むことを特徴とするレーザダイ
    オード制御回路。
  5. 【請求項５】請求項４において、前記第２の制御手段
    は、さらに、変調電流を制御する手段に対して、出力電
    圧及び基準電圧に応じた制御電圧を供給する手段を含む
    ことを特徴とするレーザダイオード制御回路。
  6. 【請求項６】レーザダイオードの出力を検出し、 パイロット・トーン信号を供給し、 前記の検出された出力を前記パイロット・トーン信号と
    結合し、その結合された信号を増幅し、増幅されたレベ
    ルをパイロット・トーン信号成分として有する増幅され
    た信号を発生し、 前記の増幅された信号に従って前記レーザダイオードの
    バイアス電流を制御し、レーザの平均電力出力を安定さ
    せ、 増幅された信号中のパイロット・トーン信号の増幅レベ
    ルを検出し、 前記の検出されたパイロット・トーン信号レベルを基準
    レベルと比較することによって、増幅された信号のパイ
    ロット信号のレベルに応じてレーザダイオードの変調電
    流を制御することを特徴とするレーザダイオードを制御
    する方法。
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