JP4066979B2 - 発光素子駆動回路、通信装置、及び発光素子駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子駆動回路、通信装置、及び発光素子駆動方法に関する。特に本発明は、面発光素子を駆動する発光素子駆動回路及び発光素子駆動方法、並びに当該回路を備えた通信装置に関する。

従来のレーザ駆動回路として、下記非特許文献１に開示されたものがある。下記非特許文献１に開示された従来のレーザ駆動回路は、バイアス電流及び変調電流を生成する回路を有して構成され（Figure 3〜5参照）、バイアス電流に変調電流を重畳した駆動電流をＶＣＳＥＬに供給することにより、ＶＣＳＥＬを駆動する。

上記レーザ駆動回路は、ＶＣＳＥＬの出射光量に基づいてバイアス電流を変動させることにより、出射光量が略一定となるようにＶＣＳＥＬを駆動する。温度が上昇するとＶＣＳＥＬの出射光量が減少するため、上記レーザ駆動回路は、出射光量が減少した場合にＶＣＳＥＬに供給するバイアス電流を増加させることにより、出射光量を一定に保っている。また、上記レーザ駆動回路は、温度の上昇に伴い、バイアス電流に重畳する変調電流を増大させる。
"+3.0 to +5.0, 2.5 Gbps VCSEL and Laser Driver"、[online]、Maxim Integrated Products、［平成１６年５月１１日検索］、インターネット＜URL : http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX3996.pdf＞

ＶＣＳＥＬを光源とする光送信機等の通信装置は、ルータ等の機器内等の周囲温度が高温になる場所に設置される場合がある。このような場合に、上記従来のレーザ駆動回路では、ＶＣＳＥＬの温度上昇に伴いバイアス電流及び変調電流が増大するため、ＶＣＳＥＬに極めて大きな電流が供給されてしまう。したがって、上記従来のレーザ駆動回路では、ＶＣＳＥＬが設けられた機器等の消費電力が増大してしまうという問題が生じていた。また、ＶＣＳＥＬに極めて大きな電流が供給されてしまうため、ＶＣＳＥＬの劣化が激しく、寿命が低下するという問題も生じていた。

よって、本発明は、上記の課題を解決することのできる発光素子駆動回路、通信装置、及び発光素子駆動方法を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。

上記課題を解決するため、本発明の第１の形態によれば、面発光素子に略一定のバイアス電流を供給するバイアス電流駆動回路と、変調電流をバイアス電流に重畳して面発光素子に供給する変調電流駆動回路と、面発光素子の温度を検出する温度検出回路とを備え、変調電流駆動回路は、検出された温度が上昇した場合に、変調電流の電流量を減少させることを特徴とする発光素子駆動回路を提供する。

上記構成では、温度変化によらず、面発光素子に供給される電流の平均値は略一定となる。すなわち、面発光素子の温度が上昇した場合であっても、面発光素子に供給される電流量は略一定となる。したがって、上記構成によれば、面発光素子に供給される平均電流が増加しないため、消費電力が極めて少なく、また、面発光素子の劣化を抑えることができる発光素子駆動回路を提供することができる。

また、上記構成では、温度が上昇した場合に、面発光素子に供給する変調電流を減少させる。したがって、温度が上昇することにより、面発光素子の閾値電流が上昇した場合であっても、当該閾値電流に合わせて、面発光素子のオフ時に当該面発光素子に供給されるオフ電流を制御することができる。すなわち、面発光素子の閾値電流が上昇した場合であっても、オフ電流が閾値電流より大幅に低くなることを防ぐことができる。したがって、上記構成によれば、面発光素子から出射される光の消光比を十分に得るとともに、面発光素子をオフ状態からオン状態に変化させたときの発光遅延を抑えることができるため、ジッタが少なく波形品質の良い光信号を面発光素子から出射させることができる発光素子駆動回路を提供することができる。

また、上記発光素子駆動回路において、バイアス電流駆動回路は、面発光素子の平均出射光量が所定の規格で定められた上限となる電流および下限となる電流の範囲内となる電流をバイアス電流として供給することが好ましい。

上記発光素子駆動回路は、面発光素子が出射した光を受光し、所定の電流を生成する受光素子と、所定の電流に基づいて平均出射光量を検出し、検出された平均出射光量が予め定められた範囲内にない場合に、バイアス電流駆動回路及び変調電流駆動回路が、面発光素子にバイアス電流及び変調電流を供給する動作を停止させる出射光量検出部とをさらに備えることが好ましい。

上記構成では、面発光素子の平均出射光量が規定範囲を超えた場合に、面発光素子の発光動作を停止させる。したがって、上記構成によれば、信頼性及び安全性の極めて高い発光素子駆動回路を提供することができる。

上記発光素子駆動回路において、面発光素子は、受光素子と一体に形成されることが好ましい。これにより、小型かつ安価な発光素子駆動回路を提供することができる。

上記発光素子駆動回路において、バイアス電流駆動回路は、インダクタを介して面発光素子にバイアス電流を供給し、変調電流駆動回路は、キャパシタを介して面発光デバイスに変調電流を供給することが好ましい。これにより、バイアス電流及び変調電流を重畳させることができる。

本発明の第２の形態によれば、上記発光素子駆動回路を備え、面発光素子やその他の要素を適宜含んで構成される光通信装置（光トランシーバ）である。このような本発明にかかる光通信装置は、例えば、パーソナルコンピュータやいわゆるＰＤＡ（携帯型情報端末装置）など、光を伝送媒体として外部装置等との間の情報通信を行う各種の電子機器に用いることが可能である。なお、本明細書において「光通信装置」とは、信号光の送信にかかる構成（発光素子等）と信号光の受信にかかる構成（受光素子等）の両方を含む装置のみならず、送信にかかる構成のみを備える装置（いわゆる光送信モジュール）や受信にかかる構成のみを備える装置（いわゆる光受信モジュール）を含む。

本発明の第３の形態によれば、面発光素子を駆動する発光素子駆動方法であって、面発光素子に略一定のバイアス電流を供給するステップと、変調電流をバイアス電流に重畳して面発光素子に供給するステップと、面発光素子の温度を検出するステップと、検出された温度が上昇した場合に、変調電流の電流量を減少させるステップとを備えた発光素子駆動方法を提供する。

以下、図面を参照しつつ、発明の実施形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の発光素子駆動回路１００の第１実施形態を示す図である。発光素子駆動回路１００は、バイアス電流駆動回路１１０と、変調電流駆動回路１２０と、変調信号生成部１３０と、温度検出部１４０と、キャパシタＣと、コイルＬとを備えて構成される。本実施形態の発光素子駆動回路１００が駆動する面発光素子２００は、垂直共振型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の、温度に対する閾値電流やスロープ効率の変動が小さい発光素子であることが好ましい。

バイアス電流駆動回路１１０は、面発光素子２００に供給するバイアス電流Ｉｂｉａｓを生成する。また、バイアス電流駆動回路１１０は、バイアス電流Ｉｂｉａｓを、バイアス電流駆動回路１１０と面発光素子２００との間に設けられたコイルＬを介して面発光素子２００に供給する。本実施形態において、バイアス電流駆動回路１１０は、バイアス電流Ｉｂｉａｓとして略一定の電流を生成し、面発光素子２００に供給する。

変調電流駆動回路１２０は、変調信号生成部１３０が生成した変調信号に基づいて、変調電流Ｉｍｏｄを生成する。また、変調電流駆動回路１２０は、変調電流Ｉｍｏｄを、キャパシタＣを介して、バイアス電流駆動回路１１０が生成したバイアス電流Ｉｂｉａｓに重畳し、面発光素子２００に供給する。

また、変調電流駆動回路１２０は、温度検出部１４０が検出した面発光素子２００の温度に基づいて、変調電流Ｉｍｏｄの電流量を制御する。具体的には、変調電流駆動回路１２０は、面発光素子２００の温度が上昇した場合に、変調電流Ｉｍｏｄの電流量を減少させる。

図２は、本実施形態の発光素子駆動回路１００が面発光素子２００に供給する電流と当該面発光素子２００の出射光量との関係を示す図である。図１及び図２を参照して、本実施形態の発光素子駆動回路１００が、バイアス電流Ｉｂｉａｓ及び変調電流Ｉｍｏｄを制御する動作について説明する。なお、図２では、温度ＴＬ及び当該温度ＴＬより高い温度ＴＨにおける、電流と出射光量との関係を一例として示してある。

本実施形態では、面発光素子２００の平均出射光量の上限及び下限である平均出射光量上限及び平均出射光量下限が予め定められている。平均出射光量上限及び平均出射光量下限は、例えば、平均出射光量が規格で定められた範囲内となるように設定される。バイアス電流駆動回路１１０は、面発光素子２００の平均出射光量が平均出射光量上限と平均出射光量下限との間に設定されるように、バイアス電流Ｉｂｉａｓを生成する。

具体的には、面発光素子２００の平均出射光量が平均出射光量上限及び平均出射光量下限となるときに面発光素子２００に供給される電流である電流ａ及び電流ｂが予め設定されており、バイアス電流駆動回路１１０は、バイアス電流Ｉｂｉａｓを、電流ａと電流ｂとの間において略一定となるように設定する。

変調電流駆動回路１２０は、温度検出部１４０が検出した面発光素子２００等の温度に基づいて、バイアス電流Ｉｂｉａｓに重畳する変調電流Ｉｍｏｄを制御する。変調電流Ｉｍｏｄは、ロウレベルを示すときの電流値とハイレベルを示すときの電流値との差がＩｍｏｄである電流である。したがって、面発光素子２００に供給される電流は、変調信号がハイレベルを示すとき、すなわち、面発光素子２００のオン時にはＩｂｉａｓ＋Ｉｍｏｄ／２となり、変調信号がロウレベルを示すとき、すなわち、面発光素子２００のオフ時にはＩｂｉａｓ−Ｉｍｏｄ／２となる。ここで、面発光素子２００のオフ時における出射光量は、ゼロに限られず、オン時に対して所定の消光比が得られる光量であればよい。

また、変調電流駆動回路１２０は、面発光素子２００の温度が上昇した場合、変調電流Ｉｍｏｄの電流量を減少させる。本例において、変調電流駆動回路１２０は、面発光素子２００の温度がＴＬである場合、変調電流としてＩｍｏｄ［ＴＬ］をバイアス電流Ｉｂｉａｓに重畳し、面発光素子の温度がＴＬより高いＴＨである場合、変調電流としてＩｍｏｄ［ＴＬ］よりも少ないＩｍｏｄ［ＴＨ］をバイアス電流Ｉｂｉａｓに重畳する。

ここで、変調電流駆動回路１２０は、Ｉｂｉａｓ−Ｉｍｏｄ［ＴＬ］／２及びＩｂｉａｓ−Ｉｍｏｄ［ＴＨ］／２が、それぞれ閾値電流Ｉｔｈ［ＴＬ］及びＩｔｈ［ＴＨ］と略等しくなるように、変調電流Ｉｍｏｄ［ＴＬ］及びＩｍｏｄ［ＴＨ］を設定するのが好ましい。また、変調電流駆動回路１２０は、Ｉｂｉａｓ−Ｉｍｏｄ［ＴＬ］／２及びＩｂｉａｓ−Ｉｍｏｄ［ＴＨ］／２が、それぞれ閾値電流Ｉｔｈ［ＴＬ］及びＩｔｈ［ＴＨ］より大きくなるように、変調電流Ｉｍｏｄ［ＴＬ］及びＩｍｏｄ［ＴＨ］を設定してもよい。

図３は、本発明の発光素子駆動回路１００の第２実施形態を示す図である。以下において、第１実施形態と異なる点を中心に第２実施形態の発光素子駆動回路１００について説明する。なお、第１実施形態と同一の符号を付した構成については、第１実施形態と同様の機能を有する。

本実施形態の発光素子駆動回路１００は、第１の実施形態の構成に加え、受光素子１５０と、出射光量検出部１６０とをさらに備える。受光素子１５０は、面発光素子２００が出射した光を受け取り、受け取った光量に基づいて、出射光量検出部１６０に所定の電流を供給する。出射光量検出部１６０は、当該所定の電流に基づいて、面発光素子２００の平均出射光量が所定の範囲内にあるか否かを判断する。

出射光量検出部１６０は、面発光素子２００の平均出射光量が所定の範囲にないと判断した場合、すなわち、平均出射光量が平均出射光量上限又は下限を超えたと判断した場合、バイアス電流駆動回路１１０及び変調電流駆動回路１２０に所定のエラー信号を供給する。バイアス電流駆動回路１１０及び変調電流駆動回路１２０は、当該エラー信号を受け取った場合、それぞれ、面発光素子２００に対するバイアス電流Ｉｂｉａｓ及び変調電流Ｉｍｏｄの供給を停止する。これにより、面発光素子２００の温度が極めて大きく変化した場合や、面発光素子２００が経時変化等により出射光量が大きく変化した場合であっても、面発光素子２００が上限あるいは下限を超えた平均出射光量を出射することを防ぐことができるため、信頼性及び安全性の高い発光素子駆動回路を提供することができる。

図４は、図３における面発光素子２００及び受光素子１５０が一体に形成された構成の一例を示す図である。

図４（ａ）の例では、面発光素子２００及び受光素子１５０は、同一の基板１８０上において、面発光素子２００の出射光の出射方向に対して略垂直方向に隣接して配置されている。また、面発光素子２００、受光素子１５０及び基板１８０を封止する筐体１７０が設けられており、面発光素子２００は、筐体１７０を介して光を出射する。

筐体１７０は、面発光素子２００の出射光が通過する面を有しており、当該面は、出射光の出射方向に対して所定の角度を成すように形成されている。具体的には、当該面は、出射光の一部を反射し、受光素子１５０に入射するように形成されている。受光素子１５０は、入射した反射光に基づいて、出射光量検出部１６０に所定の電流を供給する（図３参照）。

図４（ｂ）の例では、面発光素子２００及び受光素子１５０は、基板１８０上において、出射光の出射方向に積層されている。具体的には、面発光素子２００は基板１８０上に積層されており、受光素子１５０は面発光素子２００上に積層されている。面発光素子２００は、受光素子１５０を通して、面発光素子２００及び受光素子１５０の積層方向に光を出射する。受光素子１５０は、受光素子１５０を通過した出射光に基づいて、出射光量検出部１６０に所定の電流を供給する（図３参照）。

図５は、比較例における電流と出射光量との関係を示す図である。比較例では、バイアス電流駆動回路１１０は、面発光素子２００の温度によらず平均出射光量が一定となるようにバイアス電流Ｉｂｉａｓを制御する。すなわち、面発光素子２００の温度が上昇した場合には、バイアス電流Ｉｂｉａｓを増大させることにより、平均出射光量を一定にしている。なお、図５では、温度ＴＬ及び当該温度ＴＬより高い温度ＴＨにおける、電流と出射光量との関係を示してある。比較例では、面発光素子２００の温度が上昇するにつれて、面発光素子２００に供給されるバイアス電流Ｉｂｉａｓは増大する。

また、比較例では、面発光素子２００の温度に応じてバイアス電流Ｉｂｉａｓを大きくした場合、変調電流Ｉｍｏｄを変動させないと、面発光素子２００のオフ時に当該面発光素子２００に供給されるオフ電流Ｉｂｉａｓ−Ｉｍｏｄ／２が閾値電流Ｉｔｈを大きく超えてしまい、十分な消光比が得られない場合がある。したがって、比較例では、十分な消光比を得るために、Ｉｂｉａｓ−Ｉｍｏｄ／２が閾値電流Ｉｔｈと略等しくなるように、バイアス電流Ｉｂｉａｓが増加するに伴い、変調電流Ｉｍｏｄを増加させる。

すなわち、比較例では、面発光素子２００の温度が上昇するに伴い、面発光素子２００に供給するバイアス電流Ｉｂｉａｓ及び変調電流Ｉｍｏｄの双方が増大する。したがって、比較例では、面発光素子２００の温度上昇や経時変化に伴い、面発光素子２００に供給する電流が増大する。

一方、第１実施形態及び第２実施形態の発光素子駆動回路１００によれば、面発光素子２００の温度上昇や経時変化に伴い、面発光素子２００の閾値電流Ｉｔｈが上昇した場合であっても、バイアス電流駆動回路１１０がバイアス電流Ｉｂｉａｓを略一定とし、変調電流駆動回路１２０が変調電流Ｉｍｏｄを減少させるため、面発光素子２００に供給される電流が増大することを防ぐことができる。したがって、上記実施形態によれば、消費電力が極めて少なく、また、面発光素子２００の劣化を抑えることができる。

また、上記実施形態によれば、温度が上昇することにより、面発光素子の閾値電流が上昇した場合であっても、当該閾値電流に合わせて、面発光素子２００のオフ時に当該面発光素子２００に供給されるオフ電流を制御することができる。すなわち、面発光素子２００の閾値電流が上昇した場合であっても、オフ電流が閾値電流より大幅に低くなることを防ぐことができる。したがって、上記実施形態によれば、面発光素子２００から出射される光の消光比を十分に得るとともに、面発光素子２００をオフ状態からオン状態に変化させたときの発光遅延を抑えることができるため、ジッタが少なく波形品質の良い光信号を面発光素子２００から出射させることができる。

上記発明の実施形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施形態の記載に限定されるものではない。そのような組み合わせ又は変更若しくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本発明の発光素子駆動回路１００の第１実施形態を示す図である。 本実施形態の発光素子駆動回路１００が面発光素子２００に供給する電流と当該面発光素子２００の出射光量との関係を示す図である。 本発明の発光素子駆動回路１００の第２実施形態を示す図である。 図３における面発光素子２００及び受光素子１５０が一体に形成された構成の一例を示す図である。 比較例における電流と出射光量との関係を示す図である。

符号の説明

１００・・・発光素子駆動回路、１１０・・・バイアス電流駆動回路、１２０・・・変調電流駆動回路、１３０・・・変調信号生成部、１４０・・・温度検出部、１５０・・・受光素子、１６０・・・出射光量検出部、１７０・・・筐体、１８０・・・基板、２００・・・面発光素子、Ｃ・・・キャパシタ、Ｌ・・・コイル、Ｉｂｉａｓ・・・バイアス電流、Ｉｍｏｄ・・・変調電流、Ｉｔｈ・・・閾値電流

Claims (7)

1. 面発光素子を駆動する発光素子駆動回路であって、
   前記面発光素子に略一定のバイアス電流を供給するバイアス電流駆動回路と、
   変調電流を前記バイアス電流に重畳して前記面発光素子に供給する変調電流駆動回路と、
   前記面発光素子の温度を検出する温度検出回路と、を備え、
   前記変調電流駆動回路は、検出された前記温度が上昇した場合に、前記変調電流の電流量を減少させることを特徴とする発光素子駆動回路。
2. 前記バイアス電流駆動回路は、前記面発光素子の平均出射光量が所定の規格で定められた上限となる電流および下限となる電流の範囲内となる電流を前記バイアス電流として供給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. 前記面発光素子が出射した光を受光し、所定の電流を生成する受光素子と、
   前記所定の電流に基づいて前記平均出射光量を検出し、検出された前記平均出射光量が予め定められた範囲内にない場合に、前記バイアス電流駆動回路及び前記変調電流駆動回路が、前記面発光素子に前記バイアス電流及び前記変調電流を供給する動作を停止させる出射光量検出部と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の発光素子駆動回路。
4. 前記バイアス電流駆動回路は、インダクタを介して前記面発光素子に前記バイアス電流を供給し、
   前記変調電流駆動回路は、キャパシタを介して前記面発光デバイスに前記変調電流を供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子駆動回路。
5. 前記面発光素子は、前記受光素子と一体に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の発光素子駆動回路。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子駆動回路を備えたことを特徴とする光通信装置。
7. 面発光素子を駆動する発光素子駆動方法であって、
   前記面発光素子に略一定のバイアス電流を供給するステップと、
   変調電流を前記バイアス電流に重畳して前記面発光素子に供給するステップと、
   前記面発光素子の温度を検出するステップと、
   検出された前記温度が上昇した場合に、前記変調電流の電流量を減少させるステップと、
   を備えたことを特徴とする発光素子駆動方法。

Images