JP4026970B2 - 発光ダイオードの駆動方法およびそれを用いた光伝送装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信等に使われる発光素子を駆動する発光ダイオードの駆動方法およびそれを用いた光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡlＧaＩnＰ系材料は、窒化物を除III‐Ｖ族化合物半導体材料の中で最大の直接遷移型バンドギャップを有し、波長が０.５〜０.６μｍ帯の高効率発光素子材料として注目されている。特に、ＧaＡsに格子整合するＡlＧaＩnＰ系材料による発光部(活性層を含む積層構造)がＧaＡs基板上に形成されたｐｎ接合型発光ダイオード(ＬＥＤ)は、従来のＧaＰやＡlＧaＩnＰなどの材料を用いたものに比べて、赤色から緑色に相当する波長域で、より高輝度の発光が可能であり、また直接遷移型であるのでより高速応答が可能である。
【０００３】
近年、ＡlＧaＩnＰ系発光ダイオードを送信用光源として用いた光ファイバ通信が盛んになりつつある。特にプラスチックファイバを用いた光通信において、ファイバとして使用するプラスチックの透過率が波長６５０ｎｍと５７０ｎｍでほぼ最小になり、ＡlＧaＩnＰ系発光ダイオードが最も高効率で発光することができる波長帯であるため、より高速で駆動可能なＡlＧaＩnＰ系発光ダイオードが望まれている。
【０００４】
以下、発光ダイオードの通常の駆動方法を図９(a),(b)を用いて説明する。図９(a)はデジタル変調時に発光ダイオードに注入する矩形波状の電流波形を示し、図９(b)は図９(a)の電流を注入された発光ダイオードの光出力Ｐ(t)の過渡応答波形を示している。図９(a),(b)に示すように、光出力Ｐ(t)は、駆動電流Ｉ(t)によって注入されたキャリア密度に比例して変化する。なお、光出力Ｐ(t)の矩形波パルスの立ち上がり時間ｔrを定常値の１０％(０.１Ｐ1)から９０％(０.９Ｐ1)になるまでの時間、立ち下がり時間ｔfを定常値の９０％(０.９Ｐ1)から１０％(０.１Ｐ1)になるまでの時間とする。
【０００５】
図１１に通信用の高速発光ダイオードの駆動におけるバイアス電流,電圧の条件について述べる。図１１において、オン時のバイアス電圧Ｖ1,バイアス電流Ｉ1、オフ時のバイアス電圧Ｖ2,バイアス電流Ｉ2である。オフ時の光出力Ｐ2は、オン時の光出力Ｐ1と比較して消光比が５０程度とれば許容されるため、オフ時のバイアス電流Ｉ2を例えばＩ2＝３ｍＡ程度の値に設定する。その場合、駆動電圧でみると、オフ時のバイアス電圧Ｖ2は、図１１のように発光ダイオードのビルトイン電圧Ｖbより少し高めの値になる。
【０００６】
この光出力の立ち上がり,立ち下がり時間を短縮し、高速で直接駆動するために、従来から２つの方法が使用されている。これを図１０(a),(b)を用いて説明する。図１０(a)に高速駆動のための駆動電流波形を示している。立ち上がり時間を改善するために用いられるのが“ピーキング”と呼ばれる手法で、立ち上がり時のみ、設定光出力に相当する駆動電流値より大きい駆動電流を流し、注入キャリアを増大させるものである。この場合、注入キャリア密度が大きくなるために発光再結合速度も速くなり、ピーキングを行わない場合より立ち上がり特性を約１.５倍改善することができる。
【０００７】
もう一つは立ち下がり時間を改善するために用いられる“バックシュート”と呼ばれる手法で、矩形はパルスの終端時に、逆バイアスを加えて発光ダイオードの活性層に逆電界を与えるものである。図１２の逆バイアス印加時の発光ダイオードのバンド図に示すように、電流の立ち下がり後に逆バイアスを印加すると、活性層に残留している電子が第１クラッド層に掃き出され、ホールが第２クラッド層に掃き出されてしまうために活性層内に残留キャリアが存在せず、これによって立ち下がり時間が速くなる。この手法によって同じく立ち下がり時間を約１／１.５に低減することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記バックシュートという手法は、立ち下がり特性を改善するために有用であるが、発光デバイスに対して逆バイアスをかけなければならず、そのために回路上の制約があった。すなわち、発光ダイオードに対してバックシュートの時のみ逆バイアスをかけるには、発光ダイオードを駆動するための電源だけでなく、駆動電源と逆極性の電源が新たに必要になる。したがって、このためだけに負電圧の電源を新たに用意する必要が有り、駆動回路用電源が２つ必要になり、大幅なコストアップになると共に、これによって光ファイバモジュールの小型化,軽量化が困難になる。なお、マイナス電源を使わずに逆バイアスをかける手段として、ＣＲの並列微分回路を発光ダイオードに直列に入れて、立ち下がり時のみ逆バイアスをかける方法もあるが、必要とされるコンデンサの容量が大きくなり、駆動回路が集積化できなくなるために量産性が乏しい。したがって、立ち下がり特性の改善のためにバックシュートを用いることは実用性の点で困難であった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、バックシュートのための逆電圧をかける電源等なしに光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法およびそれを用いた光伝送装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定すると共に、上記光出力のオフ時にバイアス電圧を２段階以上に調節して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００１１】
上記請求項１の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時のバイアス電圧と同極性の電圧にすることによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合させるので、光出力のオフ時の活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。なお、上記光出力のオフ時とは、光出力がゼロの場合に限らず、光出力が大小に変調されてオンオフする場合における光出力が小さい状態のときも含まれる。また、光出力のオフ時にバイアス電圧をビルトイン電圧よりも小さくして、光出力の立ち下がり時間を短縮した後、例えば次の光出力のオン開始前にバイアス電圧をビルトイン電圧よりも大きくすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮する。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００１２】
また、請求項２の発光ダイオードの駆動方法は、請求項１の発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上に設定することを特徴としている。
【００１３】
上記請求項２の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できる。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００１４】
また、請求項３の発光ダイオードの駆動方法は、請求項１の発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定することを特徴としている。
【００１５】
上記請求項３の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できる。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００１６】
また、請求項４の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００１７】
上記請求項４の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時のバイアス電圧と同極性の電圧にすることによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合させるので、光出力のオフ時の活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。なお、上記光出力のオフ時とは、光出力がゼロの場合に限らず、光出力が大小に変調されてオンオフする場合における光出力が小さい状態のときも含まれる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００１８】
また、請求項５の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの再結合電流領域内に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００１９】
上記請求項５の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの再結合電流領域内に設定することによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合させて、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００２０】
また、請求項６の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を上記発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００２１】
上記請求項６の発光ダイオードの駆動方法によれば、上記発光ダイオードの電流−電圧特性において、バイアス電圧が大きくなるに従って再結合電流領域から拡散電流領域となり、その再結合電流領域と拡散電流領域との間に存在する変曲点の電流値または電圧値よりも低い領域が再結合電流領域となる。したがって、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定することによって、バイアス電流が再結合電流領域となる。そうすると、光出力のオフ時、残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００２２】
また、請求項７の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下にすると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００２３】
上記請求項７の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下にすることによって、活性層の非発光準位によって残留キャリアが高速で再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００２４】
また、請求項８の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００２５】
上記請求項８の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時のバイアス電圧と同極性の電圧にすることによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合させるので、光出力のオフ時の活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。なお、上記光出力のオフ時とは、光出力がゼロの場合に限らず、光出力が大小に変調されてオンオフする場合における光出力が小さい状態のときも含まれる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００２６】
また、請求項９の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの再結合電流領域内に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００２７】
上記請求項９の発光ダイオードの駆動方法によれば、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの再結合電流領域内に設定することによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合させて、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００２８】
また、請求項１０の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を上記発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００２９】
上記請求項１０の発光ダイオードの駆動方法によれば、上記発光ダイオードの電流−電圧特性において、バイアス電圧が大きくなるに従って再結合電流領域から拡散電流領域となり、その再結合電流領域と拡散電流領域との間に存在する変曲点の電流値または電圧値よりも低い領域が再結合電流領域となる。したがって、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定することによって、バイアス電流が再結合電流領域となる。そうすると、光出力のオフ時、残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００３０】
また、請求項１１の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下にすると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００３１】
上記請求項１１の発光ダイオードの駆動方法によれば、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下にすることによって、活性層の非発光準位によって残留キャリアが高速で再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００３２】
また、請求項１２の発光ダイオードの駆動方法は、ＧayＩn1-yＰ系または(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系材料を使用した発光ダイオードの駆動方法において、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することを特徴としている。
【００３３】
上記請求項１２の発光ダイオードの駆動方法によれば、ＧayＩn1-yＰ系または(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００３４】
また、請求項１３の発光ダイオードの駆動方法は、ＡlxＧa1-xＡs系材料を使用した発光ダイオードの駆動方法において、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することを特徴としている。
【００３５】
上記請求項１３の発光ダイオードの駆動方法によれば、ＡlxＧa1-xＡs系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００３６】
また、請求項１４の発光ダイオードの駆動方法は、ＩnxＧa1-xＡsyＰ1-y系材料を使用した発光ダイオードの駆動方法において、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することを特徴としている。
【００３７】
上記請求項１４の発光ダイオードの駆動方法によれば、ＩnxＧa1-xＡsyＰ1-y系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００３８】
また、請求項１５の光伝送装置、光ファイバー通信用の発光ダイオードの駆動回路を有する光伝送装置において、請求項１乃至１４のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用したことを特徴としている。
【００３９】
上記請求項１５の光伝送装置によれば、光ファイバー通信用の高速な光伝送装置を実現できる。
【００４０】
また、請求項１６の光伝送装置は、空間光伝送通信用の発光ダイオードの駆動回路を有する光伝送装置において、請求項１乃至１４のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用したことを特徴としている。
【００４１】
上記請求項１６の光伝送装置によれば、空間光伝送通信用の高速な光伝送装置を実現できる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
光通信用に使用されるような高速変調が可能である半導体発光素子としては、直接遷移型のダブルヘテロ構造が主体であり、代表的な材料としてＧaＡs／ＡlxＧa1-xＡs系の発光ダイオードと、ＧaＡsと格子整合する(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系(ｙ＝０.５１、ｘ＝０〜０.０５)の発光ダイオードとがある。これらの発光ダイオードは、ｐ型活性層に隣接するＡl混晶比の高いクラッド層を有し、また高速応答を確保するためにｐ型活性層厚を約１μｍ以下に薄くしているため、ｐ型活性層とｐ型活性層／クラッド層界面に非発光準位濃度が多く存在する。この非発光準位は、図１３(a)に示すように、ｐ型活性層のバンド内に存在し、ｐ型活性層に注入されたキャリアは、非発光準位を通じて常に非発光再結合しており、キャリアの注入が停止すると、すぐに非発光準位によって再結合してしまうために立ち下がり時間は非常に短いはずだが、通常の駆動方法では、立ち下がり時間が遅い。これは、図１３(b)のように、通常の駆動方法では、発光停止時でも１〜３ｍＡ前後の微小電流が流れるために、バイアス電圧が発光ダイオードのビルトイン電圧より高くなってしまい、活性層に常に微小電流分のバイアス電圧がかかっていて、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になっているためである。そのため、注入キャリアは非発光準位を通して再結合することができないので、バンド端で発光再結合するので、再結合時間が長くなり、結果として立ち下がり特性を悪化させている。
【００４３】
この発明では、発光停止時(光出力が小さいオフ状態のとき)の立ち下がり特性を改善するために、図１に示すように、発光停止時のバイアス電圧Ｖ2をビルトイン電圧Ｖb以下にするか、または駆動電流ＩＦを１０μＡ以下にすることによって、バックシュートのような逆電圧をかけることなしに立ち下がり特性を改善する。
【００４４】
その原理を図２(a),(b)を用いて説明する。図２(a)は図１(a)と同様に発光状態のバンド図であって、このように電流注入時のバンド図は従来と変わる所はない。図２(b)は発光停止時(オフ時)のバンド図であって、オフ時に発光ダイオードにかかる電圧をビルトイン電圧以下に設定するか、または駆動電流が１０μＡ以下になるように設定するので、バンド図においてｐ型活性層とｎ型クラッド層のフェルミ準位の差Ｖbは、図２(a)に比べて小さい。
【００４５】
このように、オフ時では、活性層に対してキャリアが注入できないので、活性層内に存在する非発光準位にキャリアが充満せず、空状態になっている。したがって、電流停止時になって活性層に存在する残留キャリアが発光,非発光過程によってより速く再結合することが可能である。このように、駆動する順バイアス電圧が、発光ダイオードのビルトイン電圧(拡散電位)より十分低い電圧で駆動して、活性層内の非発光準位を利用することによって、バックシュート等の逆バイアスをかける手法を用いずに、立ち下がり時間の改善を図ることができる。
【００４６】
また、バイアス電流,バイアス電圧の範囲を決定するのに別の手法を用いることもできる。図３(a)は半導体発光素子の電流-電圧特性を示し、図３(b)は理想係数-電圧特性を示し、図３(c)は電圧変調幅を示している。図３(a)〜(c)に従って発光停止時のバイアス電流の設定方法について説明する。
【００４７】
図３(a)に示すように、０〜１.５Ｖの低電圧領域と約１.５Ｖ以上の高電圧領域とにおいて傾きが異なる。これは通常、半導体発光素子に注入された電流Ｉは拡散電流Ｉrと再結合電流Ｉnrの２つに分けられるためである。上記半導体発光素子に注入された電流Ｉは、
Ｉ＝Ｉr＋Ｉnr ……… (式１)
で表現され、拡散電流Ｉrと再結合電流Ｉnrの電圧依存性は、
Ｉr ＝ Ａ×ｅｘｐ(ｅＶ／(ｋＴ)) ……… (式２)
Ｉnr ＝ Ｂ×ｅｘｐ(ｅＶ／(２ｋＴ)) ……… (式３)
で表される。なお、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対零度、Ａ,Ｂは比例定数である。図３(a)の電流-電圧特性の傾きの逆数を発光ダイオードの理想係数ｎとして、電圧Ｖに対する理想係数ｎをプロットしたのが図３(b)である。上記(式２),(式３)で表されるように、半導体発光素子に注入された電流には、電圧Ｖに対して依存性の異なるＩrとＩnrの２つの成分があり、低電流領域(１ｐＡ〜１０μＡ)では、再結合電流Ｉnrが主成分となって傾きは１／２になるが、高電流領域(１０μ〜１０ｍＡ)では、拡散電流Ｉrが主成分となって傾きは１になる。さらに、注入電流を上げていくと(＞１０ｍＡ)、直列抵抗による電圧降下が大きくなり、また注入した少数キャリア濃度が多数キャリア濃度と同程度になるため、理想係数ｎの値が２以上に上がってしまうが、この領域では拡散電流が注入電流の主成分を占める。電圧Ｖに対する理想係数ｎが１から２に移る変曲点の電流,電圧をそれぞれＩa,Ｖaとすると、再結合電流領域であるＩa以下のバイアス電流,Ｖa以下のバイアス電圧に設定することによって、活性層の非発光準位によって残留キャリアが高速で再結合することが可能になる。このように半導体発光素子の電流−電圧特性の理想係数の範囲によって、バイアス電流,バイアス電圧の範囲を設定できる。
【００４８】
図４は半導体発光ダイオードの発光の立ち下がり時間ｔfに対する発光停止時のバイアス電圧の依存性を実験により調べた結果を示している。この実験で用いた半導体発光ダイオードは(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系材料のもので、素子のビルトイン電圧は常温で１.９〜２.２Ｖである。このように立ち下がり時間ｔfは、バイアス電圧が発光ダイオードの立ち上がり電圧すなわちビルトイン電圧Ｖb以下になると急激に下がる。このように、発光停止時のバイアス電圧を、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系発光ダイオードの場合では、ビルトイン電圧１.９Ｖ以下にすることによって、立ち下がり時間ｔfを大幅に短縮することができる。
【００４９】
また、図５は同様に発光の立ち下がり時間ｔfに対する発光停止時のバイアス電流の依存性を実験により調べた結果を示している。図５より明らかなように、立ち下がり時間ｔfは、バイアス電流が１０μＡ以下になると１０ｎｓよりも短くなる。このように、発光停止時のバイアス電圧を、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系発光ダイオードの場合では、バイアス電流をキャリアが注入されない１０μＡ以下にすることによって、立ち下がり時間ｔfを大幅に短縮することができる。
【００５０】
以下、この発明の発光ダイオードの駆動方法およびそれを用いた光伝送装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５１】
（第１実施形態）
この発明の第１実施形態の発光ダイオードの駆動方法を図６(a)〜(c)を用いて説明する。なお、この第１実施形態では、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系半導体発光ダイオード(ＬＥＤ)を用いている。図６(a)は上記ＬＥＤを駆動する駆動電圧Ｖ(t)の波形を示し、図６(b)は駆動電流Ｉ(t)の波形を示し、図６(c)は光出力Ｐ(t)の波形を示している。
【００５２】
いま、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤの場合、光出力オン時の駆動電流Ｉ1は１５ｍＡ〜６０ｍＡなので、駆動電圧Ｖ1としては１.９〜２.７Ｖになる。光出力オフ時には、駆動電圧Ｖ2を(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤのビルトイン電圧１.８〜２.０Ｖより十分低い電圧値、例えば１.５Ｖ以下に設定しておく。次に、駆動電流を図６(b)で説明する。上述のように光出力オン時の駆動電流Ｉ1は１５〜６０ｍＡで、光出力オフ時の駆動電流Ｉ2は、注入キャリアがクラッド,活性層間のヘテロバリアを越えないような微小電流値、例えば１０μＡ以下に設定する。
【００５３】
そうすることによって、光出力のオフ時に残留するキャリアをＬＥＤの活性層の非発光準位を通じて再結合させるので、光出力のオフ時の活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮することができる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供することができる。
【００５４】
なお、上記駆動電圧Ｖ(t)と駆動電流Ｉ(t)は独立に設定することはできないが、駆動回路上、電圧制御と電流制御の両方の場合が考えられるので、電圧値,電流値両方について記述しており、どちらで制御しても同様の効果が得られる。
【００５５】
上記のような駆動条件で(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤを駆動したところ、立ち上がり時間ｔrが８〜１０ｎｓ,立ち下がり時間ｔfが１５〜１８ｎｓに比べて、立ち上がり時間は変わらないものの、立ち下がり時間では約２倍速くなり、応答特性としては従来７５Ｍbpsの伝送速度であったものが、１００Ｍbpsの伝送速度が可能になった。
【００５６】
（第２実施形態）
この発明の第２実施形態における駆動方法を図７(a)〜(c)を用いて説明する。なお、この第２実施形態では、第１実施形態と同様に(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系半導体発光ダイオード(ＬＥＤ)を用いている。また、このＬＥＤの立ち上がり時間を短縮するために、電流立ち上げ時にピーキングを用いている。図７(a)はＬＥＤを駆動する駆動電圧Ｖ(t)の波形を示し、図７(b)は駆動電流Ｉ(t)の波形を示し、図７(c)は光出力Ｐ(t)の波形を示している。
【００５７】
このように光出力オフ時の最初Ｔ2において、駆動電圧値は発光ダイオードのビルトイン電圧Ｖbより低い電圧値Ｖ2に設定している。この電圧Ｖ2を第１実施形態と同様に１.５Ｖ以下に設定し、図７(b)の駆動電流値Ｉ2をやはり１０μＡ以下に設定している。この状態では活性層にキャリアは注入していないが、光出力がオンになる少し前の時間Ｔ3において、一旦ビルトイン電圧Ｖbより少し高い電圧Ｖ3に上げる。このときの電圧値は、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤのビルトイン電圧１.８〜２.０Ｖより約０.１〜０.２Ｖ高い電圧１.９〜２.０Ｖに設定される。この状態では、活性層に対して約１〜３ｍＡの電流が注入されるために活性層内の非発光準位が充満され、次に発光オン時の立ち上がり時間を短くするのに有効である。その後、光出力オンにする時間Ｔ1において瞬時的に駆動電流にピーキングをかける。すなわち、発光オン時の定常状態の駆動電流Ｉ1に比べ、瞬間的に約３０〜１００％大きくする。具体的には、駆動電流に対して瞬間的に８０〜１２０ｍＡに、駆動電圧にして２.２〜３.０Ｖになるようにピーキングを調整する。その次に、光出力オフ時には再び駆動電圧値をＶ2、駆動電流値をＩ2まで下げる。
【００５８】
そうすることによって、光出力のオフ時に残留するキャリアをＬＥＤの活性層の非発光準位を通じて再結合させるので、光出力のオフ時の活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮することができる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供することができる。
【００５９】
また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧をＬＥＤのビルトイン電圧以上にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できる。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善することができる。
【００６０】
なお、第１実施形態と同様に、駆動電圧と駆動電流は独立に設定することはできないが、駆動回路上、電圧制御と電流制御両方の場合が考えられるので、電圧値,電流値両方について記述しており、電圧値,電流値のどちらで制御しても同様の効果が得られる。
【００６１】
上記のような駆動条件で(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤを駆動したところ、立ち上がり時間ｔrが４〜５ｎｓ,立ち下がり時間ｔfが７〜９ｎｓであり、従来オフ時に３ｍＡの電流が流れていた時の立ち上がり時間ｔrが８〜１０ｎｓ,立ち下がり時間ｔfが１５〜１８ｎｓに比べて、立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに約２倍速くなり、応答特性としては従来７５Ｍbpsの伝送速度であったものが、１５０Ｍbpsの伝送速度が可能になった。
【００６２】
図８はこの第２実施形態による発光ダイオードの駆動方法を採用した光伝送装置のブロック図を示している。図８において、１はアノードがグランドに接続された発光ダイオード、２は上記発光ダイオード１のカソードが出力端子に接続され、駆動パルス入力信号が入力された駆動回路、３は上記駆動回路２のバイアス入力端子に出力端子が接続されたバイアス電圧設定回路、４は駆動パルス入力信号を分周する分周回路、５は上記駆動パルス入力信号を反転させて、反転した駆動パルス入力信号を上記駆動回路２に入力するインバータである。上記バイアス電圧設定回路３には、バイアス電圧Ｖ1,Ｖ2を設定する半固定抵抗ＶＲ1,ＶＲ2を設けている。図８に示すように、半導体素子を直接駆動する駆動回路２に対してバイアス電圧を設定するバイアス電圧設定回路３が付随するが、発光停止時のバイアス電圧を時間的に変化させるため、駆動パルス入力信号が分周回路４を経てバイアス電圧設定回路３に入力される構成になっている。この光伝送装置によって、光ファイバ通信用,空間光伝送用等の光通信モジュールを用いた光伝送が実現可能である。
【００６３】
上記第１,第２実施形態では、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤについて説明したが、他のＬＥＤ(例えばＡlＧaＡs系,ＩnＧaＡsＰ系,ＺnＳe系およびＧaＩnＮ系の発光ダイオード)についてもこの発明を適用して同様の効果を得ることができる。また、駆動条件についても上述の電流値,電圧値に限ったものではなく、発光ダイオードのビルトイン電圧や活性層の非発光準位の濃度等の条件に応じて適宜設定することにより、同様の効果が得られるものである。
【００６４】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定することによって、光出力のオフ時における発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。この駆動方法によって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になる。したがって、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。
【００６５】
また、光出力のオフ時にバイアス電圧をビルトイン電圧よりも小さくして、光出力の立ち下がり時間を短縮した後、次の発光開始前にバイアス電圧をビルトイン電圧よりも大きくすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮する。したがって、光出力のオフ時にバイアス電圧を２段階以上設定可能にすることによって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００６６】
また、請求項２の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、請求項１の発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できる。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００６７】
また、請求項３の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、請求項１の発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できる。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００６８】
また、請求項４の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定することによって、光出力のオフ時における発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。この駆動方法によって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になる。したがって、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００６９】
また、請求項５の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を再結合電流領域の範囲内に設定することによって、発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。この駆動方法によって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になる。したがって、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７０】
また、請求項６の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定することによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になり、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７１】
また、請求項７の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下に抑制することによって、発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。したがって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になり、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７２】
また、請求項８の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定することによって、光出力のオフ時における発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。この駆動方法によって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になる。したがって、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７３】
また、請求項９の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を再結合電流領域の範囲内に設定することによって、発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。この駆動方法によって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になる。したがって、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７４】
また、請求項１０の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定することによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になり、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７５】
また、請求項１１の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下に抑制することによって、発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。したがって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になり、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７６】
また、請求項１２の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することによって、ＧayＩn1-yＰ系または(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００７７】
また、請求項１３の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することによって、ＡlxＧa1-xＡs系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００７８】
また、請求項１４の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することによって、ＩnxＧa1-xＡsyＰ1-y系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００７９】
また、請求項１５の発明の光伝送装置によれば、光ファイバー通信用の発光ダイオードの駆動回路を有する光伝送装置において、請求項１乃至１４のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することによって、光ファイバー通信用の高速な光伝送装置を実現できる。
【００８０】
また、請求項１６の発明の光伝送装置によれば、空間光伝送通信用の発光ダイオードの駆動回路を有する光伝送装置において、請求項１乃至１４のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することによって、空間光伝送通信用の高速な光伝送装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はこの発明の発光ダイオードの駆動方法における駆動電流−光出力−駆動電圧図によるバイアス電圧の設定を示す図である。
【図２】 図２(a)はこの発明による発光ダイオードの発光状態でのバンド図と注入キャリアの状態を示す図であり、図２(b)は発光停止状態でのバンド図と注入キャリアの状態を示す図である。
【図３】 図３(a)はこの発明による発光ダイオードの駆動方法における電流−電圧−理想係数図によるバイアス電流,バイアス電圧の設定方法の電流,電圧特性を示す図であり、図３(b)は理想係数−電圧特性を示す図であり、図３(c)はバイアス電圧の変調幅を示す。
【図４】 図４はこの発明による発光ダイオードの立ち下がり時間のバイアス電圧依存性を示すグラフである。
【図５】 図５は上記発光ダイオードの立ち下がり時間のバイアス電流依存性を示すグラフである。
【図６】 図６(a)はこの発明による第１実施形態による発光ダイオードの駆動方法の駆動電圧波形を示す図であり、図６(b)は駆動電流波形を示す図であり、図６(c)は光出力波形を示す図である。
【図７】 図７(a)はこの発明による第２実施形態による発光ダイオードの駆動方法の駆動電圧波形を示す図であり、図７(b)は駆動電流波形を示す図であり、図７(c)は光出力波形を示す図である。
【図８】 図８は第２実施形態による発光ダイオードの駆動方法を用いた光伝送装置のブロック図を示す図である。
【図９】 図９(a)は従来の発光ダイオードの駆動方法において駆動電圧波形を示す図であり、図９(b)は駆動電流の時間的変化(波形)を示す図であり、図９(c)は図９(b)の駆動電流による光出力の時間的変化(波形)を示す図であり、
【図１０】 図１０(a)は上記発光ダイオードの駆動方法におけるピーキングとバックシュートをかけた場合の駆動電圧波形を示す図であり、図１０(b)は駆動電流波形を示す図であり、図１０(c)は光出力波形を示す図である。
【図１１】 図１１は従来の発光ダイオードの駆動方法における駆動電流−光出力−駆動電圧図によるバイアス電圧の設定を示す図である。
【図１２】 図１２は従来のバックシュートによる発光ダイオードのバンド図と注入キャリアの状態を示す図である。
【図１３】 図１３(a)は従来例による発光ダイオードの発光状態でのバンド図と注入キャリアの状態を示す図であり、図１３(b)は発光停止状態でのバンド図と注入キャリアの状態を示す図である。
【符号の説明】
１…発光ダイオード、
２…駆動回路、
３…バイアス電圧設定回路、
４…分周回路、
５…インバータ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信等に使われる発光素子を駆動する発光ダイオードの駆動方法およびそれを用いた光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡlＧaＩnＰ系材料は、窒化物を除III‐Ｖ族化合物半導体材料の中で最大の直接遷移型バンドギャップを有し、波長が０.５〜０.６μｍ帯の高効率発光素子材料として注目されている。特に、ＧaＡsに格子整合するＡlＧaＩnＰ系材料による発光部(活性層を含む積層構造)がＧaＡs基板上に形成されたｐｎ接合型発光ダイオード(ＬＥＤ)は、従来のＧaＰやＡlＧaＩnＰなどの材料を用いたものに比べて、赤色から緑色に相当する波長域で、より高輝度の発光が可能であり、また直接遷移型であるのでより高速応答が可能である。
【０００３】
近年、ＡlＧaＩnＰ系発光ダイオードを送信用光源として用いた光ファイバ通信が盛んになりつつある。特にプラスチックファイバを用いた光通信において、ファイバとして使用するプラスチックの透過率が波長６５０ｎｍと５７０ｎｍでほぼ最小になり、ＡlＧaＩnＰ系発光ダイオードが最も高効率で発光することができる波長帯であるため、より高速で駆動可能なＡlＧaＩnＰ系発光ダイオードが望まれている。
【０００４】
以下、発光ダイオードの通常の駆動方法を図９(a),(b)を用いて説明する。図９(a)はデジタル変調時に発光ダイオードに注入する矩形波状の電流波形を示し、図９(b)は図９(a)の電流を注入された発光ダイオードの光出力Ｐ(t)の過渡応答波形を示している。図９(a),(b)に示すように、光出力Ｐ(t)は、駆動電流Ｉ(t)によって注入されたキャリア密度に比例して変化する。なお、光出力Ｐ(t)の矩形波パルスの立ち上がり時間ｔrを定常値の１０％(０.１Ｐ1)から９０％(０.９Ｐ1)になるまでの時間、立ち下がり時間ｔfを定常値の９０％(０.９Ｐ1)から１０％(０.１Ｐ1)になるまでの時間とする。
【０００５】
図１１に通信用の高速発光ダイオードの駆動におけるバイアス電流,電圧の条件について述べる。図１１において、オン時のバイアス電圧Ｖ1,バイアス電流Ｉ1、オフ時のバイアス電圧Ｖ2,バイアス電流Ｉ2である。オフ時の光出力Ｐ2は、オン時の光出力Ｐ1と比較して消光比が５０程度とれば許容されるため、オフ時のバイアス電流Ｉ2を例えばＩ2＝３ｍＡ程度の値に設定する。その場合、駆動電圧でみると、オフ時のバイアス電圧Ｖ2は、図１１のように発光ダイオードのビルトイン電圧Ｖbより少し高めの値になる。
【０００６】
この光出力の立ち上がり,立ち下がり時間を短縮し、高速で直接駆動するために、従来から２つの方法が使用されている。これを図１０(a),(b)を用いて説明する。図１０(a)に高速駆動のための駆動電流波形を示している。立ち上がり時間を改善するために用いられるのが“ピーキング”と呼ばれる手法で、立ち上がり時のみ、設定光出力に相当する駆動電流値より大きい駆動電流を流し、注入キャリアを増大させるものである。この場合、注入キャリア密度が大きくなるために発光再結合速度も速くなり、ピーキングを行わない場合より立ち上がり特性を約１.５倍改善することができる。
【０００７】
もう一つは立ち下がり時間を改善するために用いられる“バックシュート”と呼ばれる手法で、矩形はパルスの終端時に、逆バイアスを加えて発光ダイオードの活性層に逆電界を与えるものである。図１２の逆バイアス印加時の発光ダイオードのバンド図に示すように、電流の立ち下がり後に逆バイアスを印加すると、活性層に残留している電子が第１クラッド層に掃き出され、ホールが第２クラッド層に掃き出されてしまうために活性層内に残留キャリアが存在せず、これによって立ち下がり時間が速くなる。この手法によって同じく立ち下がり時間を約１／１.５に低減することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記バックシュートという手法は、立ち下がり特性を改善するために有用であるが、発光デバイスに対して逆バイアスをかけなければならず、そのために回路上の制約があった。すなわち、発光ダイオードに対してバックシュートの時のみ逆バイアスをかけるには、発光ダイオードを駆動するための電源だけでなく、駆動電源と逆極性の電源が新たに必要になる。したがって、このためだけに負電圧の電源を新たに用意する必要が有り、駆動回路用電源が２つ必要になり、大幅なコストアップになると共に、これによって光ファイバモジュールの小型化,軽量化が困難になる。なお、マイナス電源を使わずに逆バイアスをかける手段として、ＣＲの並列微分回路を発光ダイオードに直列に入れて、立ち下がり時のみ逆バイアスをかける方法もあるが、必要とされるコンデンサの容量が大きくなり、駆動回路が集積化できなくなるために量産性が乏しい。したがって、立ち下がり特性の改善のためにバックシュートを用いることは実用性の点で困難であった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、バックシュートのための逆電圧をかける電源等なしに光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法およびそれを用いた光伝送装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定すると共に、上記光出力のオフ時にバイアス電圧を２段階以上に調節して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００１１】
上記請求項１の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時のバイアス電圧と同極性の電圧にすることによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合させるので、光出力のオフ時の活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。なお、上記光出力のオフ時とは、光出力がゼロの場合に限らず、光出力が大小に変調されてオンオフする場合における光出力が小さい状態のときも含まれる。また、光出力のオフ時にバイアス電圧をビルトイン電圧よりも小さくして、光出力の立ち下がり時間を短縮した後、例えば次の光出力のオン開始前にバイアス電圧をビルトイン電圧よりも大きくすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮する。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００１２】
また、請求項２の発光ダイオードの駆動方法は、請求項１の発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上に設定することを特徴としている。
【００１３】
上記請求項２の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できる。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００１４】
また、請求項３の発光ダイオードの駆動方法は、請求項１の発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定することを特徴としている。
【００１５】
上記請求項３の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できる。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００１６】
また、請求項４の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００１７】
上記請求項４の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時のバイアス電圧と同極性の電圧にすることによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合させるので、光出力のオフ時の活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。なお、上記光出力のオフ時とは、光出力がゼロの場合に限らず、光出力が大小に変調されてオンオフする場合における光出力が小さい状態のときも含まれる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００１８】
また、請求項５の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの再結合電流領域内に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００１９】
上記請求項５の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの再結合電流領域内に設定することによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合させて、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００２０】
また、請求項６の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を上記発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００２１】
上記請求項６の発光ダイオードの駆動方法によれば、上記発光ダイオードの電流−電圧特性において、バイアス電圧が大きくなるに従って再結合電流領域から拡散電流領域となり、その再結合電流領域と拡散電流領域との間に存在する変曲点の電流値または電圧値よりも低い領域が再結合電流領域となる。したがって、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定することによって、バイアス電流が再結合電流領域となる。そうすると、光出力のオフ時、残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００２２】
また、請求項７の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下にすると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００２３】
上記請求項７の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下にすることによって、活性層の非発光準位によって残留キャリアが高速で再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００２４】
また、請求項８の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００２５】
上記請求項８の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時のバイアス電圧と同極性の電圧にすることによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合させるので、光出力のオフ時の活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。なお、上記光出力のオフ時とは、光出力がゼロの場合に限らず、光出力が大小に変調されてオンオフする場合における光出力が小さい状態のときも含まれる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００２６】
また、請求項９の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの再結合電流領域内に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００２７】
上記請求項９の発光ダイオードの駆動方法によれば、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの再結合電流領域内に設定することによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合させて、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００２８】
また、請求項１０の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を上記発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定すると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００２９】
上記請求項１０の発光ダイオードの駆動方法によれば、上記発光ダイオードの電流−電圧特性において、バイアス電圧が大きくなるに従って再結合電流領域から拡散電流領域となり、その再結合電流領域と拡散電流領域との間に存在する変曲点の電流値または電圧値よりも低い領域が再結合電流領域となる。したがって、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定することによって、バイアス電流が再結合電流領域となる。そうすると、光出力のオフ時、残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００３０】
また、請求項１１の発光ダイオードの駆動方法は、発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下にすると共に、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴としている。
【００３１】
上記請求項１１の発光ダイオードの駆動方法によれば、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下にすることによって、活性層の非発光準位によって残留キャリアが高速で再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００３２】
また、請求項１２の発光ダイオードの駆動方法は、ＧayＩn1-yＰ系または(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系材料を使用した発光ダイオードの駆動方法において、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することを特徴としている。
【００３３】
上記請求項１２の発光ダイオードの駆動方法によれば、ＧayＩn1-yＰ系または(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００３４】
また、請求項１３の発光ダイオードの駆動方法は、ＡlxＧa1-xＡs系材料を使用した発光ダイオードの駆動方法において、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することを特徴としている。
【００３５】
上記請求項１３の発光ダイオードの駆動方法によれば、ＡlxＧa1-xＡs系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００３６】
また、請求項１４の発光ダイオードの駆動方法は、ＩnxＧa1-xＡsyＰ1-y系材料を使用した発光ダイオードの駆動方法において、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することを特徴としている。
【００３７】
上記請求項１４の発光ダイオードの駆動方法によれば、ＩnxＧa1-xＡsyＰ1-y系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００３８】
また、請求項１５の光伝送装置、光ファイバー通信用の発光ダイオードの駆動回路を有する光伝送装置において、請求項１乃至１４のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用したことを特徴としている。
【００３９】
上記請求項１５の光伝送装置によれば、光ファイバー通信用の高速な光伝送装置を実現できる。
【００４０】
また、請求項１６の光伝送装置は、空間光伝送通信用の発光ダイオードの駆動回路を有する光伝送装置において、請求項１乃至１４のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用したことを特徴としている。
【００４１】
上記請求項１６の光伝送装置によれば、空間光伝送通信用の高速な光伝送装置を実現できる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
光通信用に使用されるような高速変調が可能である半導体発光素子としては、直接遷移型のダブルヘテロ構造が主体であり、代表的な材料としてＧaＡs／ＡlxＧa1-xＡs系の発光ダイオードと、ＧaＡsと格子整合する(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系(ｙ＝０.５１、ｘ＝０〜０.０５)の発光ダイオードとがある。これらの発光ダイオードは、ｐ型活性層に隣接するＡl混晶比の高いクラッド層を有し、また高速応答を確保するためにｐ型活性層厚を約１μｍ以下に薄くしているため、ｐ型活性層とｐ型活性層／クラッド層界面に非発光準位濃度が多く存在する。この非発光準位は、図１３(a)に示すように、ｐ型活性層のバンド内に存在し、ｐ型活性層に注入されたキャリアは、非発光準位を通じて常に非発光再結合しており、キャリアの注入が停止すると、すぐに非発光準位によって再結合してしまうために立ち下がり時間は非常に短いはずだが、通常の駆動方法では、立ち下がり時間が遅い。これは、図１３(b)のように、通常の駆動方法では、発光停止時でも１〜３ｍＡ前後の微小電流が流れるために、バイアス電圧が発光ダイオードのビルトイン電圧より高くなってしまい、活性層に常に微小電流分のバイアス電圧がかかっていて、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になっているためである。そのため、注入キャリアは非発光準位を通して再結合することができないので、バンド端で発光再結合するので、再結合時間が長くなり、結果として立ち下がり特性を悪化させている。
【００４３】
この発明では、発光停止時(光出力が小さいオフ状態のとき)の立ち下がり特性を改善するために、図１に示すように、発光停止時のバイアス電圧Ｖ2をビルトイン電圧Ｖb以下にするか、または駆動電流ＩＦを１０μＡ以下にすることによって、バックシュートのような逆電圧をかけることなしに立ち下がり特性を改善する。
【００４４】
その原理を図２(a),(b)を用いて説明する。図２(a)は図１(a)と同様に発光状態のバンド図であって、このように電流注入時のバンド図は従来と変わる所はない。図２(b)は発光停止時(オフ時)のバンド図であって、オフ時に発光ダイオードにかかる電圧をビルトイン電圧以下に設定するか、または駆動電流が１０μＡ以下になるように設定するので、バンド図においてｐ型活性層とｎ型クラッド層のフェルミ準位の差Ｖbは、図２(a)に比べて小さい。
【００４５】
このように、オフ時では、活性層に対してキャリアが注入できないので、活性層内に存在する非発光準位にキャリアが充満せず、空状態になっている。したがって、電流停止時になって活性層に存在する残留キャリアが発光,非発光過程によってより速く再結合することが可能である。このように、駆動する順バイアス電圧が、発光ダイオードのビルトイン電圧(拡散電位)より十分低い電圧で駆動して、活性層内の非発光準位を利用することによって、バックシュート等の逆バイアスをかける手法を用いずに、立ち下がり時間の改善を図ることができる。
【００４６】
また、バイアス電流,バイアス電圧の範囲を決定するのに別の手法を用いることもできる。図３(a)は半導体発光素子の電流-電圧特性を示し、図３(b)は理想係数-電圧特性を示し、図３(c)は電圧変調幅を示している。図３(a)〜(c)に従って発光停止時のバイアス電流の設定方法について説明する。
【００４７】
図３(a)に示すように、０〜１.５Ｖの低電圧領域と約１.５Ｖ以上の高電圧領域とにおいて傾きが異なる。これは通常、半導体発光素子に注入された電流Ｉは拡散電流Ｉrと再結合電流Ｉnrの２つに分けられるためである。上記半導体発光素子に注入された電流Ｉは、
Ｉ＝Ｉr＋Ｉnr ……… (式１)
で表現され、拡散電流Ｉrと再結合電流Ｉnrの電圧依存性は、
Ｉr ＝ Ａ×ｅｘｐ(ｅＶ／(ｋＴ)) ……… (式２)
Ｉnr ＝ Ｂ×ｅｘｐ(ｅＶ／(２ｋＴ)) ……… (式３)
で表される。なお、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対零度、Ａ,Ｂは比例定数である。図３(a)の電流-電圧特性の傾きの逆数を発光ダイオードの理想係数ｎとして、電圧Ｖに対する理想係数ｎをプロットしたのが図３(b)である。上記(式２),(式３)で表されるように、半導体発光素子に注入された電流には、電圧Ｖに対して依存性の異なるＩrとＩnrの２つの成分があり、低電流領域(１ｐＡ〜１０μＡ)では、再結合電流Ｉnrが主成分となって傾きは１／２になるが、高電流領域(１０μ〜１０ｍＡ)では、拡散電流Ｉrが主成分となって傾きは１になる。さらに、注入電流を上げていくと(＞１０ｍＡ)、直列抵抗による電圧降下が大きくなり、また注入した少数キャリア濃度が多数キャリア濃度と同程度になるため、理想係数ｎの値が２以上に上がってしまうが、この領域では拡散電流が注入電流の主成分を占める。電圧Ｖに対する理想係数ｎが１から２に移る変曲点の電流,電圧をそれぞれＩa,Ｖaとすると、再結合電流領域であるＩa以下のバイアス電流,Ｖa以下のバイアス電圧に設定することによって、活性層の非発光準位によって残留キャリアが高速で再結合することが可能になる。このように半導体発光素子の電流−電圧特性の理想係数の範囲によって、バイアス電流,バイアス電圧の範囲を設定できる。
【００４８】
図４は半導体発光ダイオードの発光の立ち下がり時間ｔfに対する発光停止時のバイアス電圧の依存性を実験により調べた結果を示している。この実験で用いた半導体発光ダイオードは(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系材料のもので、素子のビルトイン電圧は常温で１.９〜２.２Ｖである。このように立ち下がり時間ｔfは、バイアス電圧が発光ダイオードの立ち上がり電圧すなわちビルトイン電圧Ｖb以下になると急激に下がる。このように、発光停止時のバイアス電圧を、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系発光ダイオードの場合では、ビルトイン電圧１.９Ｖ以下にすることによって、立ち下がり時間ｔfを大幅に短縮することができる。
【００４９】
また、図５は同様に発光の立ち下がり時間ｔfに対する発光停止時のバイアス電流の依存性を実験により調べた結果を示している。図５より明らかなように、立ち下がり時間ｔfは、バイアス電流が１０μＡ以下になると１０ｎｓよりも短くなる。このように、発光停止時のバイアス電圧を、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系発光ダイオードの場合では、バイアス電流をキャリアが注入されない１０μＡ以下にすることによって、立ち下がり時間ｔfを大幅に短縮することができる。
【００５０】
以下、この発明の発光ダイオードの駆動方法およびそれを用いた光伝送装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５１】
（第１実施形態）
この発明の第１実施形態の発光ダイオードの駆動方法を図６(a)〜(c)を用いて説明する。なお、この第１実施形態では、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系半導体発光ダイオード(ＬＥＤ)を用いている。図６(a)は上記ＬＥＤを駆動する駆動電圧Ｖ(t)の波形を示し、図６(b)は駆動電流Ｉ(t)の波形を示し、図６(c)は光出力Ｐ(t)の波形を示している。
【００５２】
いま、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤの場合、光出力オン時の駆動電流Ｉ1は１５ｍＡ〜６０ｍＡなので、駆動電圧Ｖ1としては１.９〜２.７Ｖになる。光出力オフ時には、駆動電圧Ｖ2を(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤのビルトイン電圧１.８〜２.０Ｖより十分低い電圧値、例えば１.５Ｖ以下に設定しておく。次に、駆動電流を図６(b)で説明する。上述のように光出力オン時の駆動電流Ｉ1は１５〜６０ｍＡで、光出力オフ時の駆動電流Ｉ2は、注入キャリアがクラッド,活性層間のヘテロバリアを越えないような微小電流値、例えば１０μＡ以下に設定する。
【００５３】
そうすることによって、光出力のオフ時に残留するキャリアをＬＥＤの活性層の非発光準位を通じて再結合させるので、光出力のオフ時の活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮することができる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供することができる。
【００５４】
なお、上記駆動電圧Ｖ(t)と駆動電流Ｉ(t)は独立に設定することはできないが、駆動回路上、電圧制御と電流制御の両方の場合が考えられるので、電圧値,電流値両方について記述しており、どちらで制御しても同様の効果が得られる。
【００５５】
上記のような駆動条件で(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤを駆動したところ、立ち上がり時間ｔrが８〜１０ｎｓ,立ち下がり時間ｔfが１５〜１８ｎｓに比べて、立ち上がり時間は変わらないものの、立ち下がり時間では約２倍速くなり、応答特性としては従来７５Ｍbpsの伝送速度であったものが、１００Ｍbpsの伝送速度が可能になった。
【００５６】
（第２実施形態）
この発明の第２実施形態における駆動方法を図７(a)〜(c)を用いて説明する。なお、この第２実施形態では、第１実施形態と同様に(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系半導体発光ダイオード(ＬＥＤ)を用いている。また、このＬＥＤの立ち上がり時間を短縮するために、電流立ち上げ時にピーキングを用いている。図７(a)はＬＥＤを駆動する駆動電圧Ｖ(t)の波形を示し、図７(b)は駆動電流Ｉ(t)の波形を示し、図７(c)は光出力Ｐ(t)の波形を示している。
【００５７】
このように光出力オフ時の最初Ｔ2において、駆動電圧値は発光ダイオードのビルトイン電圧Ｖbより低い電圧値Ｖ2に設定している。この電圧Ｖ2を第１実施形態と同様に１.５Ｖ以下に設定し、図７(b)の駆動電流値Ｉ2をやはり１０μＡ以下に設定している。この状態では活性層にキャリアは注入していないが、光出力がオンになる少し前の時間Ｔ3において、一旦ビルトイン電圧Ｖbより少し高い電圧Ｖ3に上げる。このときの電圧値は、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤのビルトイン電圧１.８〜２.０Ｖより約０.１〜０.２Ｖ高い電圧１.９〜２.０Ｖに設定される。この状態では、活性層に対して約１〜３ｍＡの電流が注入されるために活性層内の非発光準位が充満され、次に発光オン時の立ち上がり時間を短くするのに有効である。その後、光出力オンにする時間Ｔ1において瞬時的に駆動電流にピーキングをかける。すなわち、発光オン時の定常状態の駆動電流Ｉ1に比べ、瞬間的に約３０〜１００％大きくする。具体的には、駆動電流に対して瞬間的に８０〜１２０ｍＡに、駆動電圧にして２.２〜３.０Ｖになるようにピーキングを調整する。その次に、光出力オフ時には再び駆動電圧値をＶ2、駆動電流値をＩ2まで下げる。
【００５８】
そうすることによって、光出力のオフ時に残留するキャリアをＬＥＤの活性層の非発光準位を通じて再結合させるので、光出力のオフ時の活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮することができる。したがって、バックシュートのための逆電圧をかける電源等を用いることなく、光出力の立ち下がり特性を改善でき、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供することができる。
【００５９】
また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧をＬＥＤのビルトイン電圧以上にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できる。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善することができる。
【００６０】
なお、第１実施形態と同様に、駆動電圧と駆動電流は独立に設定することはできないが、駆動回路上、電圧制御と電流制御両方の場合が考えられるので、電圧値,電流値両方について記述しており、電圧値,電流値のどちらで制御しても同様の効果が得られる。
【００６１】
上記のような駆動条件で(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤを駆動したところ、立ち上がり時間ｔrが４〜５ｎｓ,立ち下がり時間ｔfが７〜９ｎｓであり、従来オフ時に３ｍＡの電流が流れていた時の立ち上がり時間ｔrが８〜１０ｎｓ,立ち下がり時間ｔfが１５〜１８ｎｓに比べて、立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに約２倍速くなり、応答特性としては従来７５Ｍbpsの伝送速度であったものが、１５０Ｍbpsの伝送速度が可能になった。
【００６２】
図８はこの第２実施形態による発光ダイオードの駆動方法を採用した光伝送装置のブロック図を示している。図８において、１はアノードがグランドに接続された発光ダイオード、２は上記発光ダイオード１のカソードが出力端子に接続され、駆動パルス入力信号が入力された駆動回路、３は上記駆動回路２のバイアス入力端子に出力端子が接続されたバイアス電圧設定回路、４は駆動パルス入力信号を分周する分周回路、５は上記駆動パルス入力信号を反転させて、反転した駆動パルス入力信号を上記駆動回路２に入力するインバータである。上記バイアス電圧設定回路３には、バイアス電圧Ｖ1,Ｖ2を設定する半固定抵抗ＶＲ1,ＶＲ2を設けている。図８に示すように、半導体素子を直接駆動する駆動回路２に対してバイアス電圧を設定するバイアス電圧設定回路３が付随するが、発光停止時のバイアス電圧を時間的に変化させるため、駆動パルス入力信号が分周回路４を経てバイアス電圧設定回路３に入力される構成になっている。この光伝送装置によって、光ファイバ通信用,空間光伝送用等の光通信モジュールを用いた光伝送が実現可能である。
【００６３】
上記第１,第２実施形態では、(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系ＬＥＤについて説明したが、他のＬＥＤ(例えばＡlＧaＡs系,ＩnＧaＡsＰ系,ＺnＳe系およびＧaＩnＮ系の発光ダイオード)についてもこの発明を適用して同様の効果を得ることができる。また、駆動条件についても上述の電流値,電圧値に限ったものではなく、発光ダイオードのビルトイン電圧や活性層の非発光準位の濃度等の条件に応じて適宜設定することにより、同様の効果が得られるものである。
【００６４】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定することによって、光出力のオフ時における発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。この駆動方法によって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になる。したがって、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。
【００６５】
また、光出力のオフ時にバイアス電圧をビルトイン電圧よりも小さくして、光出力の立ち下がり時間を短縮した後、次の発光開始前にバイアス電圧をビルトイン電圧よりも大きくすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮する。したがって、光出力のオフ時にバイアス電圧を２段階以上設定可能にすることによって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性を改善できる。
【００６６】
また、請求項２の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、請求項１の発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できる。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００６７】
また、請求項３の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、請求項１の発光ダイオードの駆動方法において、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できる。したがって、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００６８】
また、請求項４の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定することによって、光出力のオフ時における発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。この駆動方法によって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になる。したがって、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００６９】
また、請求項５の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を再結合電流領域の範囲内に設定することによって、発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。この駆動方法によって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になる。したがって、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７０】
また、請求項６の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定することによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になり、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７１】
また、請求項７の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下に抑制することによって、発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。したがって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になり、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７２】
また、請求項８の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定することによって、光出力のオフ時における発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。この駆動方法によって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になる。したがって、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７３】
また、請求項９の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を再結合電流領域の範囲内に設定することによって、発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。この駆動方法によって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になる。したがって、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７４】
また、請求項１０の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定することによって、光出力のオフ時に残留するキャリアを発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて再結合するので、活性層内の残留キャリアを低減でき、光出力の立ち下がり時間を短縮できる。したがって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になり、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７５】
また、請求項１１の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下に抑制することによって、発光ダイオードの活性層に、キャリアを注入しないようにすると共に、残留キャリアが活性層内で非発光準位を通じて速く再結合するために、光出力の立ち下がり時間を従来の駆動方法に比べ２倍以上短縮することができる。したがって、従来駆動電圧と逆極性の電源が必要であったバックシュート等の技法を用いることなしに、発光ダイオードの高速駆動が可能になり、小型化,軽量化および量産化に適した高速な発光ダイオードの駆動方法を提供できる。また、光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電流を発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内にすることによって、活性層内の非発光準位にキャリアが充満された状態になって、立ち上がり時間を短縮できるので、発光の立ち下がり,立ち上がり特性の両方を改善できる。
【００７６】
また、請求項１２の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することによって、ＧayＩn1-yＰ系または(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００７７】
また、請求項１３の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することによって、ＡlxＧa1-xＡs系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００７８】
また、請求項１４の発明の発光ダイオードの駆動方法によれば、請求項１乃至１１のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することによって、ＩnxＧa1-xＡsyＰ1-y系材料を使用した高速な発光ダイオードを実現できる。
【００７９】
また、請求項１５の発明の光伝送装置によれば、光ファイバー通信用の発光ダイオードの駆動回路を有する光伝送装置において、請求項１乃至１４のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することによって、光ファイバー通信用の高速な光伝送装置を実現できる。
【００８０】
また、請求項１６の発明の光伝送装置によれば、空間光伝送通信用の発光ダイオードの駆動回路を有する光伝送装置において、請求項１乃至１４のいずれか１つの発光ダイオードの駆動方法を採用することによって、空間光伝送通信用の高速な光伝送装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はこの発明の発光ダイオードの駆動方法における駆動電流−光出力−駆動電圧図によるバイアス電圧の設定を示す図である。
【図２】 図２(a)はこの発明による発光ダイオードの発光状態でのバンド図と注入キャリアの状態を示す図であり、図２(b)は発光停止状態でのバンド図と注入キャリアの状態を示す図である。
【図３】 図３(a)はこの発明による発光ダイオードの駆動方法における電流−電圧−理想係数図によるバイアス電流,バイアス電圧の設定方法の電流,電圧特性を示す図であり、図３(b)は理想係数−電圧特性を示す図であり、図３(c)はバイアス電圧の変調幅を示す。
【図４】 図４はこの発明による発光ダイオードの立ち下がり時間のバイアス電圧依存性を示すグラフである。
【図５】 図５は上記発光ダイオードの立ち下がり時間のバイアス電流依存性を示すグラフである。
【図６】 図６(a)はこの発明による第１実施形態による発光ダイオードの駆動方法の駆動電圧波形を示す図であり、図６(b)は駆動電流波形を示す図であり、図６(c)は光出力波形を示す図である。
【図７】 図７(a)はこの発明による第２実施形態による発光ダイオードの駆動方法の駆動電圧波形を示す図であり、図７(b)は駆動電流波形を示す図であり、図７(c)は光出力波形を示す図である。
【図８】 図８は第２実施形態による発光ダイオードの駆動方法を用いた光伝送装置のブロック図を示す図である。
【図９】 図９(a)は従来の発光ダイオードの駆動方法において駆動電圧波形を示す図であり、図９(b)は駆動電流の時間的変化(波形)を示す図であり、図９(c)は図９(b)の駆動電流による光出力の時間的変化(波形)を示す図であり、
【図１０】 図１０(a)は上記発光ダイオードの駆動方法におけるピーキングとバックシュートをかけた場合の駆動電圧波形を示す図であり、図１０(b)は駆動電流波形を示す図であり、図１０(c)は光出力波形を示す図である。
【図１１】 図１１は従来の発光ダイオードの駆動方法における駆動電流−光出力−駆動電圧図によるバイアス電圧の設定を示す図である。
【図１２】 図１２は従来のバックシュートによる発光ダイオードのバンド図と注入キャリアの状態を示す図である。
【図１３】 図１３(a)は従来例による発光ダイオードの発光状態でのバンド図と注入キャリアの状態を示す図であり、図１３(b)は発光停止状態でのバンド図と注入キャリアの状態を示す図である。
【符号の説明】
１…発光ダイオード、
２…駆動回路、
３…バイアス電圧設定回路、
４…分周回路、
５…インバータ。
Claims (16)
- 発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、
光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定すると共に、
上記光出力のオフ時にバイアス電圧を２段階以上に調節して、
光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 請求項１に記載の発光ダイオードの駆動方法において、
光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上に設定することを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 請求項１に記載の発光ダイオードの駆動方法において、
光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定することを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、
光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定すると共に、
光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上に設定して、
光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、
光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの再結合電流領域内に設定すると共に、
光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定して、
光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、
光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を上記発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定すると共に、
光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定して、
光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、
光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下にすると共に、
光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始の前の所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧以上かつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定して、
光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、
光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電圧を上記発光ダイオードのビルトイン電圧より低くかつ光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧に設定すると共に、
光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、
光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、
バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、
光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの再結合電流領域内に設定すると共に、
光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、
光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、
バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、
光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流またはバイアス電圧を上記発光ダイオードの電流−電圧特性曲線における下側の変曲点の値よりも小さい値に設定すると共に、
光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、
光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 発光ダイオードの駆動電流を高速に変調させて光出力のオンオフを繰り返す発光ダイオードの駆動方法において、
バイアス電圧を光出力のオン時の駆動電圧と同極性の電圧とし、
光出力のオフ時の少なくともオフ開始から所定の期間、バイアス電流を１０μＡ以下にすると共に、
光出力のオフ時でかつ光出力のオン開始前の所定の期間、バイアス電流を上記発光ダイオードの拡散電流領域の範囲内に設定して、
光出力のオフ時に、上記発光ダイオードの活性層の非発光準位を通じて、残留キャリアを再結合させて、光出力の立ち下がり時間を短縮したことを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - ＧayＩn1-yＰ系または(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系材料を使用した発光ダイオードの駆動方法において、
請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の発光ダイオードの駆動方法を採用することを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - ＡlxＧa1-xＡs系材料を使用した発光ダイオードの駆動方法において、
請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の発光ダイオードの駆動方法を採用することを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - ＩnxＧa1-xＡsyＰ1-y系材料を使用した発光ダイオードの駆動方法において、
請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の発光ダイオードの駆動方法を採用することを特徴とする発光ダイオードの駆動方法。 - 光ファイバー通信用の発光ダイオードの駆動回路を有する光伝送装置において、
請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の発光ダイオードの駆動方法を採用したことを特徴とする光伝送装置。 - 空間光伝送通信用の発光ダイオードの駆動回路を有する光伝送装置において、
請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の発光ダイオードの駆動方法を採用したことを特徴とする光伝送装置。
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