JP4028919B2 - 発光素子駆動回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子駆動回路に関し、より特定的には、デジタル変調方式の光通信に用いられる発光素子の駆動回路に関し、さらに特定的には、温度変動等がある場合に光出力を安定化する駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信に用いられる発光素子としては、一般的には、レーザダイオードやＬＥＤが挙げられる。これらの素子を利用して、注入する電流量に応じた光出力を取り出す直接変調方式は、比較的低コストで簡易に実現できるため、広く利用されている。
【０００３】
ただし、これらの発光素子は、温度変動に対して光出力が変動する性質を有している。特に、レーザダイオードでは、そのしきい値電流とスロープ効率（発光効率）の両方が、一般に温度変動特性を持つ。そのため、温度変動がある場合に光出力を一定にする目的で、光出力を安定化する方式が一般に採用されている。例えば、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ出版） ｐ１８４に記載されたレーザダイオード駆動回路や、特開平９−６４４４１号公報に記載されたレーザダイオード駆動回路は、光出力を一定に保つため、レーザダイオードの背面に光出力をモニタするためのフォトダイオードを備え、そのフォトダイオードの出力電流を基に、常時光出力が一定になるようにフィードバック制御を行っている。すなわち、これらの駆動回路では、モニタ用のフォトダイオードの出力の平均値に基づいて、レーザダイオードのバイアス電流がフィードバック制御される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、光通信の方式として、バースト信号を扱うケースが増えている。しかしながら、バースト信号は、そのマーク率（同一論理が出現する平均的な割合）が一定でないため、モニタ用フォトダイオードの出力の平均値によってバイアス電流を制御する方式では、光出力を一定に保つことができなくなる。そこで、モニタ用フォトダイオードの出力のピーク値を検出する必要がでてくるが、ピーク値を検出するためには、比較的高速なフォトダイオードを必要とする。高速なフォトダイオードは、その受光面積が比較的小さいため、レーザダイオードの背面にモジュールとして組み込む工程では、一般には光軸合わせが必要になる。そのため、モジュールのコストがかさみ、また、モジュールの小型化にも限界があるという問題点がある。
【０００５】
また、バースト信号を扱う場合、無信号期間には、駆動回路にて消費される電流を最小限にすることが望ましい。これを実現するため、例えば特開平７−１５４０１６号公報に記載された高速ＡＰＣ回路がある。この高速ＡＰＣ回路では、エミッタ結合型回路を利用してレーザダイオードに注入される電流を切り替える方式を採っている。すなわち、この高速ＡＰＣ回路は、エミッタ結合型回路に接続される電流源に利用されるトランジスタのベースにアナログスイッチを用い、信号の存在する期間はモニタ用フォトダイオードからの電流信号を基に電流源を制御するが、バーストの無信号期間にはアナログスイッチを切り替えて電流源に利用するトランジスタのベースエミッタ間電圧を０に設定することで、消費電流を極力減らすように構成されている。
【０００６】
ただし、一般にはアナログスイッチは応答速度が限られ、高速で動作させることは困難である。そのため、上記高速ＡＰＣ回路のような構成では、切り替えた直後のバースト信号の１ビット目から正確に動作することが困難である。
【０００７】
本発明の目的は、モニタ用フォトダイオードを用いることなく、温度変動による発光素子の光出力の変動を安定化させることができる発光素子駆動回路を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、デジタル変調された電気信号に応答してスイッチング動作する発光素子を安定的に駆動するための発光素子駆動回路であって、
発光素子の端子間電圧を検出する電圧検出部と、
電圧検出部の出力のピーク値を検出するピーク検出部と、
基準電圧を発生する基準電圧発生部と基準電圧発生部が発生する基準電圧とピーク検出部の出力との間の誤差を検出する誤差検出部とを含み、誤差検出部の出力信号に応じて、発光素子の駆動電流を制御する電流制御部とを備え、
基準電圧発生部は、発光素子の光出力が一定に保たれている条件下で、温度変化に対する発光素子の端子間電圧の変化に追従する基準電圧を発生する。
【０００９】
上記第１の発明によれば、モニタ用フォトダイオードを用いずに光出力を安定化することができるため、低コストで信頼性の高い発光素子駆動回路が得られる。また、電流制御部は基準電圧発生部と誤差検出部とに分離されるので、異なる種類の発光素子を利用する場合に、基準電圧発生部のみを変更するだけで対応できるという利点が得られる。また、基準電圧発生部は、温度変化に対する発光素子の端子間電圧の変化に追従するような基準電圧を発生するため、広い温度範囲で一定の光出力が得られる。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、
基準電圧発生部は、それぞれが固有の温度範囲において温度変化に対する発光素子の端子間電圧の変化に追従する基準電圧を発生する複数の基準電圧発生源を含み、周囲温度の変化に応じて、各基準電圧発生源が発生する基準電圧を切り替えて出力することを特徴とする。
【００１５】
上記第２の発明によれば、基準電圧発生部は、基準電圧発生源を複数備え、周囲温度の変化に応じて、各基準電圧発生源が発生する基準電圧を切り替えて出力するようにしているので、一定の光出力を得るための端子間電圧特性が、温度範囲によって傾向が異なっていても柔軟に対応することができる。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明において、
電流制御部は、発光素子の駆動電流の一部をバイパスさせることによって駆動電流を減少させる電流バイパス部をさらに含んでいる。
【００１７】
上記第３の発明によれば、電流制御部に電流バイパス部を設けることにより、消費電力の低減化が図れる。
【００１８】
第４の発明は、第３の発明において、
デジタル変調された電気信号は、バースト信号の形態で入力され、
バースト信号の有無を知らせる制御信号が準備され、
電流バイパス部は、制御信号によってバースト信号の無いことが通知されたときに、駆動電流のバイパスを行い、発光素子の駆動電流を減少させることを特徴とする。
【００１９】
上記第４の発明によれば、電流バイパス部は、バースト信号の有無を知らせる制御信号に応答して動作するため、バースト信号の無信号期間にのみ消費電力を低減させることが可能となる。
【００２０】
第５の発明は、第１の発明において、
デジタル変調された電気信号は、バースト信号の形態で入力され、
ピーク検出部の充電時定数は、バースト信号の先頭における数ビット期間内に設定されていることを特徴とする。
【００２１】
上記第５の発明によれば、ピーク検出部の充電時定数がプリアンブル信号のビット数程度に設定されるので、長い休止後の通信の開始時における光出力の安定化がプリアンブル期間中に行われる。
【００２２】
第６の発明は、第５の発明において、
ピーク検出部の放電時定数は、バースト信号の無信号期間よりも十分に大きい値に設定されていることを特徴とする。
【００２３】
上記第６の発明によれば、ピーク検出部の放電時定数がバースト信号の周期に比較して十分に大きく設定されるので、一旦通信が開始されてバースト信号が一定周期で送信される場合には、２周期目以降のバースト信号では先頭ビットから安定した光出力が得られる。
【００２４】
第７の発明は、デジタル変調された電気信号に応答してスイッチング動作する発光素子を安定的に駆動するための発光素子駆動回路であって、
発光素子の端子間電圧を検出する電圧検出部と、
電圧検出部の出力の平均値を検出する平均値検出部と、
基準電圧を発生する基準電圧発生部と基準電圧発生部が発生する基準電圧と平均値検出部の出力との間の誤差を検出する誤差検出部とを含み、誤差検出部の出力信号に応じて、発光素子の駆動電流を制御する電流制御部とを備え、
基準電圧発生部は、発光素子の光出力が一定に保たれている条件下で、温度変化に対する発光素子の端子間電圧の変化に追従する基準電圧を発生する。
【００２５】
上記第７の発明によれば、モニタ用フォトダイオードを用いずに光出力を安定化することができるため、低コストで信頼性の高い発光素子駆動回路が得られる。また、電流制御部は基準電圧発生部と誤差検出部とに分離されるので、異なる種類の発光素子を利用する場合に、基準電圧発生部のみを変更するだけで対応できるという利点が得られる。また、基準電圧発生部は、温度変化に対する発光素子の端子間電圧の変化に追従するような基準電圧を発生するため、広い温度範囲で一定の光出力が得られる。
【００３０】
第８の発明は、第７の発明において、
基準電圧発生部は、それぞれが固有の温度範囲において温度変化に対する発光素子の端子間電圧の変化に追従する基準電圧を発生する複数の基準電圧発生源を含み、周囲温度の変化に応じて、各基準電圧発生源が発生する基準電圧を切り替えて出力することを特徴とする。
【００３１】
上記第８の発明によれば、基準電圧発生部は、基準電圧発生源を複数備え、周囲温度の変化に応じて、各基準電圧発生源が発生する基準電圧を切り替えて出力するようにしているので、一定の光出力を得るための端子間電圧特性が、温度範囲によって傾向が異なっていても柔軟に対応することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る発光素子駆動回路の構成を示す回路ブロック図である。図１において、差動入力端子１０ａおよび１０ｂには、デジタル変調され、かつ相互に極性が反転した電気信号が入力される。すなわち、差動入力端子１０ａには正極性の電気信号が、差動入力端子１０ｂには負極性の電気信号が入力される。差動入力端子１０ａおよび１０ｂに入力される電気信号は、それぞれ、スイッチング用トランジスタ１３および１２のベースに与えられる。これらスイッチング用トランジスタ１２および１３のエミッタは、共通接続されて制御端子付きの可変電流源１８を介して接地される。スイッチング用トランジスタ１２のコレクタは、電源線に直接接続される。スイッチング用トランジスタ１３のコレクタは、発光素子の一例のレーザダイオード１１を介して電源線に接続される。なお、レーザダイオード１１は、アノード側が電源線に、カソード側がスイッチング用トランジスタ１３のコレクタに接続されている。
【００３３】
また、レーザダイオード１１のカソードは、レーザダイオード１１の端子間電圧を検出する電圧検出部１４に接続されている。電圧検出部１４の出力は、ピーク検出部１５に与えられ、そのピーク値が検出される。ピーク検出部１５の出力は、誤差検出部１６ｂの一方入力端に与えられる。誤差検出部１６ｂの他方入力端には、基準電圧発生部１６ａが発生する基準電圧が与えられる。誤差検出部１６ｂは、ピーク検出部１５の出力と基準電圧発生部１６ａの出力との間の誤差を検出し、出力する。誤差検出部１６ｂの出力は、可変電流源１８の制御端子に与えられる。すなわち、基準電圧発生部１６ａおよび誤差検出部１６ｂは、ピーク検出部１５の出力を基に可変電流源１８の設定電流を制御する電流制御部１６を構成している。
【００３４】
図２は、図１に示す電圧検出部１４の内部構成の一例を示した回路図である。図２において、電圧検出部１４は、レーザダイオード１１のカソードが接続される入力端子２０と、この入力端子２０が接続されるエミッタフォロワ２１と、エミッタフォロワ２１の出力を受ける差動アンプ２２と、差動アンプ２２の出力を受けるエミッタフォロワ２３と、エミッタフォロワ２３の出力を受ける出力端子２４とを備えている。
【００３５】
図３は、図１に示すピーク検出部１５の内部構成の一例を示した回路図である。図３において、ピーク検出部１５は、入力端子３０と、オペアンプ３１と、ダイオード３２と、コンデンサ３３と、電界効果トランジスタ３４と、出力端子３５と、定電流源３６とを備えている。入力端子３０には、電圧検出部１４の出力が与えられる。入力端子３０からの入力は、オペアンプ３１の正側入力端に与えられる。オペアンプ３１の出力は、順方向接続されたダイオード３２を介して、コンデンサ３３の一方電極に与えられると共に、電界効果トランジスタ３４のゲートに与えられる。コンデンサ３３は、その他方電極が接地され、ピーク値保持回路を構成している。電界効果トランジスタ３４は、定電流源３６と協働して、ソースフォロワを構成している。このソースフォロワの出力は、オペアンプ３１の負側入力端に与えられると共に、出力端子３５に与えられる。
【００３６】
図４は、図１に示す誤差検出部１６ｂの内部構成の一例を示した回路図である。図４において、入力端子４０には、基準電圧発生部１６ａの出力が与えられ、入力端子４１には、ピーク検出部１５の出力が与えられる。入力端子４０からの入力は、抵抗４５を介してオペアンプ４２の正側入力端に与えられ、入力端子４１からの入力は、抵抗４６を介してオペアンプ４２の負側入力端に与えられる。また、オペアンプ４２の正側入力端には、抵抗４８を介して電圧源４３からオフセット電圧が印加されている。オペアンプ４２の出力は、出力端子４４に与えられると共に、帰還抵抗４７を介してオペアンプ４２の負側入力端にフィードバックされている。
【００３７】
図５は、図１に示す可変電流源１８の内部構成の一例を示した回路図である。図５において、可変電流源１８は、制御入力端子５０と、トランジスタ５１と、負荷抵抗５２と、定電流源５４とを備えている。制御入力端子５０には、誤差検出部１６ｂの出力が制御電圧として与えられる。この制御入力端子５０は、トランジスタ５１のベースに接続される。トランジスタ５１のエミッタは、負荷抵抗５２を介して接地されている。トランジスタ５１のコレクタは、スイッチング用トランジスタ１２および１３の各エミッタの共通接続点に接続される。また、トランジスタ５１のコレクタには、定電流源５４が接続される。このような構成において、トランジスタ５１は、そのベースに印加された制御電圧に比例した電流を取り出す変動電流源を構成している。定電流源５４にこのような変動電流源を並列に接続することによって、スイッチング用トランジスタ１３かつ従ってレーザダイオード１１に流れる電流量は、制御電圧に応じて制御されることになる。
【００３８】
図６は、レーザダイオード１１の光出力を一定にした場合の、周囲温度に対するレーザダイオード１１のカソード−アノード端子間電圧を実測してプロットした図である。図６において、特性曲線６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄは、それぞれ、光ファイバで取り出したレーザダイオード１１の出力が、１ｍＷ，２ｍＷ，３ｍＷ，４ｍＷと一定時における、温度変化に対する端子間電圧の特性を示している。ここで、レーザダイオード１１の端子間電圧をＶＬＤ、電流をＩＬＤとした場合、次式（１）の関係が成立する。
【数１】

上式（１）において、Ｅｇはバンドギャップエネルギー、Ｒｓは順方向の内部抵抗値、ｅは電荷量である。
【００３９】
温度変化がある場合、レーザダイオード１１の内部のバンドギャップエネルギーは、低温になるほど大きくなる。そのため、図６に示すように、低温域でのレーザダイオード１１の端子間電圧は、若干上昇する傾向にある。一方、高温領域では、光出力を一定にするために必要となる電流量が増大するため、レーザダイオード１１の内部抵抗Ｒｓによる電位降下分が増大する。これによって、レーザダイオード１１の端子間電圧が上昇する傾向が見られる。これらの効果により、全温度範囲にわたっては、図６に示すような傾向が生じる。
【００４０】
図７は、図１に示す基準電圧発生部１６ａの構成の一例を示すブロック図である。図７において、基準電圧発生部１６ａは、低温域用電圧源７０と、常温用電圧源７１と、高温域用電圧源７２と、アナログスイッチ７３と、温度検出部７４とを備えている。アナログスイッチ７３は、低温域用電圧源７０、常温用電圧源７１、高温域用電圧源７２が発生する基準電圧を選択的に切り替えて出力する。温度検出部７４は、周囲温度を検出する。アナログスイッチ７３は、温度検出部７４の検出した温度範囲に応じて、低温域用電圧源７０、常温用電圧源７１、高温域用電圧源７２の出力を選択的に切り替える。
【００４１】
図８は、図７に示す低温域用電圧源７０の構成の一例を示す回路図である。図８において、低温域用電圧源７０は、サーミスタ８１および抵抗８２を直列接続した分圧回路によって構成されている。
【００４２】
図９は、図８に示す低温域用電圧源７０の出力電圧特性を示している。図９において、特性曲線９１は、低温域における温度変化に対する低温域用電圧源７０の出力電圧特性を示している。なお、図９では、制御対象とするレーザダイオード１１の光出力が一定の場合における低温域での端子間電圧の特性６１（図６参照）を併せて示している。
【００４３】
図１０は、図７に示す常温用電圧源７１の構成の一例を示す回路図である。図１０において、常温用電圧源７１は、抵抗１０１および抵抗１０２を直列接続した分圧回路によって構成されている。
【００４４】
図１１は、図１０に示す常温用電圧源７１の出力電圧特性を示している。図１１において、特性曲線１１１は、常温における温度変化に対する常温用電圧源７１の出力電圧特性を示している。なお、図１１では、制御対象とするレーザダイオード１１の光出力が一定の場合における常温域での端子間電圧の特性６１（図６参照）を併せて示している。
【００４５】
図１２は、図７に示す高温域用電圧源７２の構成の一例を示す回路図である。図１２において、高温域用電圧源７２は、正特性サーミスタ１２１および抵抗１２２を直列接続した分圧回路によって構成されている。
【００４６】
図１３は、図１２に示す高温域用電圧源７２の出力電圧特性を示している。図１３において、特性曲線１３１は、高温域における温度変化に対する高温域用電圧源７２の出力電圧特性を示している。なお、図１３では、制御対象とするレーザダイオード１１の光出力が一定の場合における高温域での端子間電圧の特性６１（図６参照）を併せて示している。
【００４７】
図１４は、図１に示す発光素子駆動回路の各部の電圧波形を示す図である。図１４において、波形１４１および１４２は、それぞれ、差動入力端子１０ａおよび１０ｂの入力電圧波形を示している。また、波形１４３は、レーザダイオード１１のカソード端子における電位変化を示している。また、波形１４４は、電圧検出部１４内の差動アンプ２２（図２参照）の出力波形を示している。また、波形１４５は、ピーク検出部１５の出力を示している。
【００４８】
図１５は、誤差検出部１６ｂから出力される誤差電圧に対する可変電流源１８の設定電流値の変化特性を示すグラフである。図１５において、特性線１５１が、可変電流源１８で設定される電流値の変化特性を示している。この特性線１５１では、誤差電圧がＶｒである場合に、設定される電流値はＩｒであるとしている。なお、このグラフにおいて、横軸に設定される誤差電圧は、入力端子４０に印加される基準電圧発生部１６ａの出力電圧をＶ４０とし、入力端子４１に印加されるピーク検出部１５の出力電圧をＶ４１とし、誤差検出部１６ｂ内部のオフセット電圧をＶｒとした場合、次式（２）で示される。
（Ｖ４０−Ｖ４１）＋Ｖｒ …（２）
【００４９】
図１６は、レーザダイオード１１の注入電流に対する端子間電圧の変化特性を示すグラフである。図１６において、特性線１６１が、レーザダイオード１１の端子間電圧の変化特性を示している。この特性線１６１では、注入電流をＩｒとした場合に、端子間電圧Ｖ１が発生するとしている。
【００５０】
以下に、第１の実施形態における動作を説明する。
まず、間欠的に発生するバースト信号が差動入力端子１０ａ，１０ｂへ入力されている状態で、ピーク検出部１５の出力電圧（波形１４５）と基準電圧発生部１６ａの出力電圧とが等しくなるように、基準電圧発生部１６ａの出力が調整されている場合を考える。この場合、特性線１５１で示される誤差電圧に対する設定電流値の変化特性により、可変電流源１８には、電流値Ｉｒで示される電流が流れる。この場合、差動入力端子１０ａに印加される信号が差動入力端子１０ｂに印加される信号に対してハイレベル時には、スイッチング用トランジスタ１２がオフ状態、スイッチング用トランジスタ１３がオン状態になる。そのため、レーザダイオード１１には、可変電流源１８で設定される電流が流れ、レーザダイオード１１は発光する。一方、差動入力端子１０ａに印加される信号が差動入力端子１０ｂに対してローレベル時には、スイッチング用トランジスタ１２がオン状態、スイッチング用トランジスタ１３がオフ状態になる。そのため、レーザダイオード１１には電流が流れなくなり、レーザダイオード１１は消光する。
【００５１】
レーザダイオード１１に電流値Ｉｒの電流が流れる場合、レーザダイオード１１の端子間には、特性線１６１で示すように、端子間電圧Ｖ１が発生する。電源電圧レベルをＶｃｃとすると、レーザダイオード１１のカソード端子の電圧は、波形１４３で示すように（Ｖｃｃ−Ｖ１）となる。この電圧は、エミッタフォロワ２１により次段の差動アンプ２２に伝えられる。差動アンプ２２の出力波形は、波形１４４で示すように、位相を逆転させたパルス波形となる。ピーク検出部１５の出力は、波形１４５で示すように、差動アンプ２２の出力の最大値を検出し保持する。
【００５２】
次に、例えば電源電圧の変動に起因して、レーザダイオード１１の駆動電流が減少した場合を考える。この場合、特性線１６１で示されるレーザダイオード１１の電流電圧特性から判るように、レーザダイオード１１の駆動電流が電流値Ｉｒから減少すると、その端子間電圧も電圧値Ｖ１から減少する。応じて、差動アンプ２２の出力のピーク値が小さくなる。その結果、ピーク検出部１５の出力が、当初よりも低い電圧値となる。この場合、基準電圧発生部１６ａの出力に対してピーク検出部１５の出力が下回ることになり、誤差検出部１６ｂの出力は、電圧値Ｖｒから増大することとなる。その結果、特性線１５１で示す特性より、レーザダイオード１１への注入電流は増大することになる。
【００５３】
また、逆に、レーザダイオード１１の駆動電流が、定常状態の電流値Ｉｒから増大した場合は、その端子間電圧もＶ１から増大する。これにより、ピーク検出部１５の出力は、当初よりも高い電圧値となる。その結果、誤差検出部１６ｂの出力は、電圧値Ｖｒよりも低い電圧値となり、レーザダイオード１１への注入電流が減少することとなる。
【００５４】
このように、第１の実施形態による回路構成では、レーザダイオード１１の端子間電圧が、常に基準電圧発生部１６ａの出力に追従するように制御され、レーザダイオード１１の駆動電流量がそれに従って決定されることが判る。
【００５５】
従って、光出力が一定の場合のレーザダイオード１１の端子間電圧を基に決定されるピーク検出部１５の出力に、基準電圧発生部１６ａの出力を等しく設定することで、レーザダイオード１１の光出力を一定にすることができる。
【００５６】
基準電圧発生部１６ａは、図７に示すように、３つの電圧源７０〜７２を備えており、温度検出部７４が検出する周囲温度の範囲に応じて、これら３つの電圧源７０〜７２を切り替えて使用するように構成されている。
【００５７】
まず、低温域では、アナログスイッチ７３によって低温域用電圧源７０が選択されて用いられる。図６に示すように、光出力を一定とした場合の、温度変化に対するレーザダイオード１１の端子間電圧は、低温になるほど上昇する。図８に示すように、低温域用電圧源７０は、温度が低くなるほど抵抗値が上昇するサーミスタ８１を用いて構成される。従って、低温域用電圧源７０の出力電圧特性は、図９に特性曲線９１として示すように、低温域でのレーザダイオード１１の光出力一定時の端子間電圧特性６１に近似することになる。この場合は、低温域での光出力をほぼ一定とすることのできる発光素子駆動回路を得ることができる。
【００５８】
次に、常温域では、アナログスイッチ７３によって常温用電圧源７１が選択されて用いられる。図６に示すように、光出力を一定とした場合の、温度変化に対するレーザダイオード１１の端子間電圧は、常温域では、ほぼフラットな状態となっている。図１０に示すように、常温用電圧源７１は、固定抵抗１０１および１０２を用いた定電圧源として構成される。従って、常温用電圧源７１の出力電圧特性は、図１１に特性曲線１１１として示すように、常温域でのレーザダイオード１１の光出力一定時の端子間電圧特性６１に近似することになる。この場合は、常温域での光出力をほぼ一定とすることのできる発光素子駆動回路を得ることができる。
【００５９】
次に、高温域では、アナログスイッチ７３によって高温域用電圧源７２が選択されて用いられる。図６に示すように、光出力を一定とした場合の、温度変化に対するレーザダイオード１１の端子間電圧は、高温になるほど上昇する。図１２に示すように、高温域用電圧源７２は、温度が高くなるほど抵抗値が上昇する正特性サーミスタ１２１を用いて構成される。従って、高温域用電圧源７２の出力電圧特性は、図１３に特性曲線１３１として示すように、高温域でのレーザダイオード１１の光出力一定時の端子間電圧特性６１に近似することになる。この場合は、高温域での光出力をほぼ一定とすることのできる発光素子駆動回路を得ることができる。
【００６０】
上記のように、第１の実施形態によれば、低温域から高温域まで、広い温度範囲にわたって光出力をほぼ一定にする発光素子駆動回路を実現することができる。なお、光出力を一定とした場合の、温度変化に対するレーザダイオード１１の端子間電圧の特性は、レーザダイオード１１の内部構成、組成毎に異なるものである。従って、制御対象となるレーザダイオード１１の種類毎に測定を行い、その特性を調べることが好ましい。また、上記第１の実施形態における基準電圧発生部１６ａは、低温域用電圧源７０，常温用電圧源７１，高温域用電圧源７２が発生する基準電圧を切り替えて出力するようにしているが、レーザダイオード１１を比較的安定した温度環境で使用する場合は、いずれか１つの電圧源のみを用いるようにしても良い。
【００６１】
次に、ピーク検出部１５における電圧保持用コンデンサ３３の充放電時定数の好ましい設定例について説明する。
図１７は、バースト信号伝送時におけるレーザダイオード１１の光出力および端子間電圧と、ピーク検出部１５の出力との関係を示す波形図である。図１７において、波形１７１はレーザダイオード１１の光出力を示し、波形１７２はレーザダイオード１１の端子間電圧を示し、波形１７３は電圧検出部１４によって位相反転された端子間電圧を示し、波形１７４はピーク検出部１５の出力を示している。
【００６２】
通信が開始されるまでに、相当長い期間にわたって無信号状態が継続した場合、ピーク検出部１５の電圧保持用コンデンサ３３に蓄積された電荷は、全て放電された状態となる。この状態では、ピーク検出部１５は、本来出力する範囲の最小値を出力する。誤差検出部１６ｂは、基準電圧発生部１６ａの出力とピーク検出部１５の出力とを比較して可変電流源１８への制御信号を決定するが、ピーク検出部１５の出力が最小値であるため、誤差検出部１６ｂは、レーザダイオード１１の駆動電流を最大にするように動作する。そのため、バースト信号の先頭ビットにおいては、波形１７１に示すように、レーザダイオード１１の光出力が、設定すべき出力レベルに対して大きくなる。この光出力に応じて、レーザダイオード１１の端子間電圧（波形１７２）は、その振幅が大きくなる。また、電圧検出部１４の出力も、波形１７３に示すように、先頭ビットにおいて、その振幅が大きくなる。ここで、ピーク検出部１５における電圧保持用コンデンサ３３の充電時定数は、バースト信号の先頭に用意される数ビットのプリアンブル期間程度に設定されている。すなわち、ピーク検出部１５は、バースト信号の先頭の数ビット期間では、充電を継続して行う。そして、この図の例では、８ビット後にピーク検出部１５から安定した出力が得られることになる。このピーク検出部１５での充電に応じて、光出力（波形１７１）も８ビット後に安定した出力が得られることとなる。
【００６３】
次に、通信が開始された場合には、周期的にバースト信号の伝送が行われることになる。この周期に比較して、ピーク検出部１５における電圧保持用コンデンサ３３の放電時定数は、十分大きくなるように設定されている。放電時定数をこのように大きく設定した場合、電圧保持用コンデンサ３３に一旦保持された電圧は、引き続いて現れるバースト信号の区間においてもその値が保持されている。そのため、周期的に現れるバースト信号の先頭部においても、１ビット目から安定な光出力が得られることとなる。
【００６４】
以上のように、第１の実施形態によれば、モニタ用フォトダイオードを用いることなく、光出力を広い温度範囲にわたって一定に保つことができるため、光モジュールのコスト削減と、小型化が図れる。また、制御対象となるレーザダイオード１１の特性、すなわち、光出力を一定にした場合の温度変化に対する端子間電圧の特性に応じて、基準電圧発生部１６ａを構成するようにしているので、レーザダイオード１１の種類が異なり、その特性が異なる場合にも、それぞれに応じた基準電圧を発生することができ、汎用的に対応可能な発光素子駆動回路を実現することができる。
【００６５】
（第２の実施形態）
図１８は、本発明の第２の実施形態に係る発光素子駆動回路の構成を示した回路ブロック図である。図１８において、本実施形態の発光素子駆動回路は、以下の点を除いて、図１の発光素子駆動回路と同様の構成であり、相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。本実施形態が図１の発光素子駆動回路と異なる点は、バースト制御入力端子１８０および電流バイパス部１８１を新たに加えた点と、図１の可変電流源１８に代えて、可変電流源１８２を設けた点とである。
【００６６】
電流バイパス部１８１は、バースト信号の無入力期間中に、レーザダイオード１１に印加される電流を減らすように、可変電流源１８２を制御する。可変電流源１８２は、電流バイパス部１８１と協働して、バースト信号の有無により駆動電流値を変化させる。
【００６７】
図１９は、図１８に示す電流バイパス部１８１および可変電流源１８２の内部構造の一例を示した回路図である。図１９において、電流バイパス部１８１は、トランジスタ１８１１と、抵抗１８１２とを備えている。トランジスタ１８１１のベースには、バースト制御入力端子１８０が接続される。トランジスタ１８１１のエミッタは、抵抗１８１２を介して接地される。可変電流源１８２は、トランジスタ５１と、負荷抵抗５２と、定電流源５４と、第１および第２のカレントミラー回路１８２１および１８２２とを備えている。制御入力端子５０には、誤差検出部１６ｂの出力が制御電圧として与えられる。この制御入力端子５０は、トランジスタ５１のベースに接続される。トランジスタ５１のエミッタは、負荷抵抗５２を介して接地されている。トランジスタ５１のコレクタには、定電流源５４が接続される。また、トランジスタ５１のコレクタは、第１のカレントミラー回路１８２１の入力端に接続される。第１のカレントミラー回路１８２１の出力端は、第２のカレントミラー回路１８２２の入力端に接続される。第２のカレントミラー回路１８２２の出力端は、スイッチング用トランジスタ１２および１３の各エミッタに接続される。なお、第２のカレントミラー回路１８２２は、レーザダイオード駆動側のトランジスタがｎ個並列に接続されて構成されている。
【００６８】
図２０は、＋側の差動入力端子１０ａへの入力信号２０１と、バースト制御入力端子１８０に印加される信号２０２とを示している。バースト制御入力端子１８０に印加される信号２０２は、バースト信号が入力されている場合にはローレベルとなり、バースト信号が入力されていない場合にはハイレベルとなる信号である。
【００６９】
以下には、第２の実施形態の動作を説明する。可変電流源１８２の制御入力端子５０には、第１の実施形態で説明した動作原理により決定される制御信号が与えられる。この入力により、第１のカレントミラー回路１８２１には、電流ｉ３が流れる。
【００７０】
間欠的に発生するバースト信号が入力されている場合、バースト制御入力端子１８０に印加される信号２０２は、ローレベルとなる。この場合、電流バイパス部１８１では、トランジスタ１８１１がオフ状態となり、電流は流れない。すなわち、電流バイパス部１８１を流れる電流量ｉ１は、０となる。第２のカレントミラー回路１８２２に流れ込む電流ｉ２は、第１のカレントミラー回路１８２１から流れ出す電流ｉ３から電流バイパス部１８１によってバイパスされる電流ｉ１を差し引いた値となるが、この場合は、ｉ１＝０であるため、電流ｉ２とｉ３は同じ値となる。そして、第２のカレントミラー回路１８２２により、ｉ２のｎ倍の電流ｉ４がレーザダイオード１１に流れる。
【００７１】
すなわち、可変電流源１８２の制御入力端子５０に与えられる制御信号で決定される電流値ｉ３に対して、レーザダイオード１１に流れる電流ｉ４は、次式（３）の関係を満たす。
ｉ４＝ｎ・ｉ３ …（３）
【００７２】
次に、バースト信号が入力されていない場合、バースト制御入力端子１８０には、ハイレベルの信号２０２が印加される。この場合、電流バイパス部１８１の内部のトランジスタ１８１１のベース端子にハイレベル信号が印加されることにより、電流バイパス部１８１には、電流ｉ１が流れる。第１のカレントミラー回路１８２１から流れ出る電流ｉ３は一定であるため、ｉ３からｉ１を引いた値の電流がｉ２となる。レーザダイオード１１に流れる電流ｉ４は、電流ｉ２のｎ倍の値になるため、電流ｉ４は、次式（４）で示す値となる。
ｉ４＝ｎ・（ｉ３−ｉ１） …（４）
ここで、電流ｉ１と電流ｉ３とを、ほぼ同じ電流値になるように設定すると、電流ｉ４の値がほぼ０となり、発光素子の駆動回路として、電流量の削減が可能となる。なお、バースト信号の１ビット目からの高速応答を可能とするためには、電流ｉ４として微少な電流量は流しておくことが望ましい。そのため、電流ｉ３を電流ｉ１に対してわずかに大きくなるように設定することが好ましい。
【００７３】
また、上記のｎを大きくすることにより、レーザダイオード１１の駆動電流として大電流を必要とする場合にも対応が可能となる。
なお、バースト信号が入力されていない場合に、誤差検出部１６ｂからの制御信号が変動することが無いように、ピーク検出部１５の放電時定数は、充分に大きく設定する必要がある。
【００７４】
以上のように、第２の実施形態によれば、バースト信号が入力されている期間にのみレーザダイオード１１に駆動電流を印加し、バースト信号の無入力期間には、電流バイパスを行うことで、その消費電力を削減することが可能となる。また、切り替えにアナログスイッチを使うことなく、電流値を削減可能であるため、バースト信号の先頭からの高速な応答を可能とする。
【００７５】
（第３の実施形態）
図２１は、本発明の第３の実施形態に係る発光素子駆動回路の構成を示す回路ブロック図ある。図２１において、本実施形態の構成は、以下の点を除いて、図１に示す第１の実施形態と同様の構成であり、相当する部分には、同一の参照番号を付し、その説明を省略する。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、図１の電圧検出部１４およびピーク検出部１５に代えて、電圧検出部２１１および平均値検出部２１２を設けたことである。電圧検出部２１１は、オペアンプにより構成される。平均値検出部２１２は、ローパスフィルタにより構成される。電圧検出部２１１は、その入力端がレーザダイオード１１のカソードに接続され、レーザダイオード１１のカソード端子の電圧を検出する。平均値検出部２１２は、その入力端が電圧検出部２１１の出力端に接続され、電圧検出部２１１の出力の平均値を出力する。平均値検出部２１２を構成するローパスフィルタのカットオフ周波数は、伝送するビット列の持つ周波数成分に比較して十分に低く設定されているものとする。平均値検出部２１２の出力端は、誤差検出部１６ｂの一方入力端に接続される。
【００７６】
図２２は、デジタル変調された電流信号をレーザダイオード１１に注入して、レーザダイオード１１の光出力を一定に設定した場合に、発光時のレーザダイオード１１の端子間電圧２２１と、オフ時のレーザダイオード１１の端子間電圧２２２との平均値２２３を、温度をパラメータとして記述したグラフである。
【００７７】
図２３は、デジタル変調された電流信号をレーザダイオード１１に注入した場合の、レーザダイオード１１の入出力波形を示す図である。なお、図２３（ａ）は、レーザダイオード１１への注入電流を示し、図２３（ｂ）は、レーザダイオード１１の端子間電圧を示し、図２３（ｃ）は、レーザダイオード１１の光出力を示している。
【００７８】
次に、第３の実施形態の動作を説明する。なお、本実施形態が扱うデジタル変調された電気信号は、第１の実施形態と異なり、バースト信号の形態ではなく、連続的に入力されるものとする。レーザダイオード１１に図２３（ａ）に示すようなデジタル変調された電流を注入する場合、その光出力は、図２３（ｃ）に示す通りとなる。この場合、レーザダイオード１１の端子間電圧としては、発光時にはハイレベルとなり、消光時にはローレベルとなる（ただし、残留キャリアの影響で、ある程度の電圧が発生している）、図２３（ｂ）に示すような波形が得られる。
【００７９】
図２３（ｃ）に示す光出力を一定に保った場合の、図２３（ｂ）に示す電圧波形のハイレベルとローレベルの電圧の温度変動特性を示したグラフが、図２２の発光時端子間電圧２２１と消光時端子間電圧２２２である。そして、この２つの特性の平均値の値として平均値２２３が規定される。すなわち、平均値２２３に示される電圧特性に、レーザダイオード１１の端子間電圧の平均値を合わせることができれば、温度変動がある場合にも光出力は一定にできることが判る。
【００８０】
図２１に示す発光素子駆動回路において、エミッタが共通に接続されたスイッチング用トランジスタ１２，１３により、差動入力信号の値に従い電流が切り替えられ、レーザダイオード１１にデジタル変調された電流が注入される。これにより、レーザダイオード１１のアノード−カソード間に電圧が発生する。アノードは、電源線に接続され、固定の電圧が印加されるので、カソード側に端子間電圧が現れることとなる。
【００８１】
レーザダイオード１１のカソードには、オペアンプで構成される電圧検出部２１１が接続される。電圧検出部２１１の出力は、ローパスフィルタで構成される平均値検出部２１２に与えられる。ここで、電圧検出部２１１を構成するオペアンプは、入力インピーダンスが高く出力インピーダンスが低いという性質を有している。すなわち、電圧検出部２１１は、レーザダイオード１１の端子間電圧を検出して平均値検出部２１２に伝達すると共に、バッファとしての役目も果たしている。これによって、レーザダイオード１１のカソード電位は、電圧検出部２１１の後段の回路要素からの影響を受けない。そのため、電圧検出部２１１の後段の回路要素がレーザダイオード１１の高速スイッチングを阻害することがなくなる。平均値検出部２１２からは、レーザダイオード１１の端子間電圧の平均値が出力される。
【００８２】
基準電圧発生部１６ａの出力として、図２２の平均値２２３に示す電圧に相当する電圧を発生させる。平均値検出部２１２の出力と、基準電圧発生部１６ａの出力との間の誤差を誤差検出部１６ｂにて検出し、その結果を可変電流源１８の制御入力に与えることで、可変電流源１８の設定電流を制御する。すなわち、平均値検出部２１２の出力電圧が、基準電圧発生部１６ａが生成する電圧に比較して低い場合は、可変電流源１８の設定電流を増大させるように制御し、逆に、平均値検出部２１２の出力電圧が、基準電圧発生部１６ａが生成する電圧に比較して高い場合には、可変電流源１８の設定電流を減少さるように制御する。このようにすることで、温度変動がある場合にも、常にレーザダイオード１１からの光出力を一定に保つことが可能となる。
【００８３】
なお、以上説明した第１〜第３の実施形態では、発光素子としてレーザダイオードを用いたが、これに代えて他の発光素子を用いても良い。他の発光素子として、例えばＬＥＤを用いた場合、レーザダイオードに比べてスイッチング速度は落ちるが、装置コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る発光素子駆動回路の構成を示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示す電圧検出部の内部構成の一例を示した回路図である。
【図３】図１に示すピーク検出部の内部構成の一例を示した回路図である。
【図４】図１に示す誤差検出部の内部構成の一例を示した回路図である。
【図５】図１に示す可変電流源の内部構成の一例を示した回路図である。
【図６】レーザダイオードの光出力を一定にした場合の、周囲温度に対するレーザダイオードのカソード−アノード端子間電圧を実測してプロットした図である。
【図７】図１に示す基準電圧発生部の構成の一例を示すブロック図である。
【図８】図７に示す低温域用電圧源の構成の一例を示す回路図である。
【図９】図８に示す低温域用電圧源の出力電圧特性を示している。
【図１０】図７に示す常温用電圧源の構成の一例を示す回路図である。
【図１１】図１０に示す常温用電圧源の出力電圧特性を示している。
【図１２】図７に示す高温域用電圧源の構成の一例を示す回路図である。
【図１３】図１２に示す高温域用電圧源の出力電圧特性を示している。
【図１４】図１に示す発光素子駆動回路の各部の電圧波形を示す図である。
【図１５】誤差検出部から出力される誤差電圧に対する可変電流源の設定電流値の変化特性を示すグラフである。
【図１６】レーザダイオードの注入電流に対する端子間電圧の変化特性を示すグラフである。
【図１７】バースト信号伝送時におけるレーザダイオードの光出力および端子間電圧と、ピーク検出部の出力との関係を示す波形図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に係る発光素子駆動回路の構成を示した回路ブロック図である。
【図１９】図１８に示す電流バイパス部および可変電流源の内部構造の一例を示した回路図である。
【図２０】＋側の差動入力端子への入力信号と、バースト制御入力端子に印加される信号との波形を示す波形図である。
【図２１】本発明の第３の実施形態に係る発光素子駆動回路の構成を示す回路ブロック図ある。
【図２２】デジタル変調された電流信号をレーザダイオードに注入して、レーザダイオードの光出力を一定に設定した場合に、発光時のレーザダイオードの端子間電圧と、オフ時のレーザダイオードの端子間電圧との平均値を、温度をパラメータとして記述したグラフである。
【図２３】デジタル変調された電流信号をレーザダイオードに注入した場合の、レーザダイオードの入出力波形を示す図である。
【符号の説明】
１１…レーザダイオード
１２，１３…スイッチング用トランジスタ
１４…電圧検出部
１５…ピーク検出部
１６ａ…基準電圧発生部
１６ｂ…誤差検出部
１６…電流制御部
１８…可変電流源
２１，２３…エミッタフォロワ
２２…差動アンプ
７０…低温域用電圧源
７１…常温用電圧源
７２…高温域用電圧源
７３…アナログスイッチ
７４…温度検出部
１８１…電流バイパス部
１８２…可変電流源
２１１…電圧検出部
２１２…平均値検出部

Claims (8)

1. デジタル変調された電気信号に応答してスイッチング動作する発光素子を安定的に駆動するための発光素子駆動回路であって、
   前記発光素子の端子間電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部の出力のピーク値を検出するピーク検出部と、
   基準電圧を発生する基準電圧発生部と前記基準電圧発生部が発生する基準電圧と前記ピーク検出部の出力との間の誤差を検出する誤差検出部とを含み、前記誤差検出部の出力信号に応じて、前記発光素子の駆動電流を制御する電流制御部とを備え、
   前記基準電圧発生部は、前記発光素子の光出力が一定に保たれている条件下で、温度変化に対する発光素子の端子間電圧の変化に追従する基準電圧を発生することを特徴とする、発光素子駆動回路。
2. 前記基準電圧発生部は、それぞれが固有の温度範囲において温度変化に対する前記発光素子の端子間電圧の変化に追従する基準電圧を発生する複数の基準電圧発生源を含み、周囲温度の変化に応じて、各基準電圧発生源が発生する基準電圧を切り替えて出力することを特徴とする、請求項１に記載の発光素子駆動回路。
3. 前記電流制御部は、前記発光素子の駆動電流の一部をバイパスさせることによって駆動電流を減少させる電流バイパス部をさらに含む、請求項１に記載の発光素子駆動回路。
4. 前記デジタル変調された電気信号は、バースト信号の形態で入力され、
   前記バースト信号の有無を知らせる制御信号が準備され、
   前記電流バイパス部は、前記制御信号によって前記バースト信号の無いことが通知されたときに、駆動電流のバイパスを行い、前記発光素子の駆動電流を減少させることを特徴とする、請求項３に記載の発光素子駆動回路。
5. 前記デジタル変調された電気信号は、バースト信号の形態で入力され、
   前記ピーク検出部の充電時定数は、前記バースト信号の先頭における数ビット期間内に設定されている、請求項１に記載の発光素子駆動回路。
6. 前記ピーク検出部の放電時定数は、前記バースト信号の無信号期間よりも十分に大きい値に設定されている、請求項５に記載の発光素子駆動回路。
7. デジタル変調された電気信号に応答してスイッチング動作する発光素子を安定的に駆動するための発光素子駆動回路であって、
   前記発光素子の端子間電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部の出力の平均値を検出する平均値検出部と、
   基準電圧を発生する基準電圧発生部と前記基準電圧発生部が発生する基準電圧と前記平均値検出部の出力との間の誤差を検出する誤差検出部とを含み、前記誤差検出部の出力信号に応じて、前記発光素子の駆動電流を制御する電流制御部とを備え、
   前記基準電圧発生部は、前記発光素子の光出力が一定に保たれている条件下で、温度変化に対する発光素子の端子間電圧の変化に追従する基準電圧を発生することを特徴とする、発光素子駆動回路。
8. 前記基準電圧発生部は、それぞれが固有の温度範囲において温度変化に対する前記発光素子の端子間電圧の変化に追従する基準電圧を発生する複数の基準電圧発生源を含み、周囲温度の変化に応じて、各基準電圧発生源が発生する基準電圧を切り替えて出力することを特徴とする、請求項７に記載の発光素子駆動回路。

Images