JP4803005B2 - 光受信器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信において光信号を出力する光送信モジュールに関するものである。

従来から、光ファイバ等を使用した光通信において光信号を生成するために光送信モジュールが用いられている（例えば、下記特許文献１参照）。この光送信モジュールにおいては、低消費電力で駆動でき、ＣＡＮ型等の小型パッケージに実装が可能な点でシャント駆動回路が採用されている。シャント駆動回路は、半導体レーザ素子にトランジスタが並列接続されたものであり、そのトランジスタの制御端子に電気信号が入力されることにより半導体レーザ素子を流れる電流を変調する。

このような光送信モジュールでは、接続される外部電源に入力電気信号が回り込むと、外部電源から半導体レーザ素子に供給される電流が変動してしまい、光信号の波形が劣化する。下記特許文献１に記載の光送信モジュールでは、外部電源から半導体レーザ素子へ電流を供給するための経路上にインダクタを設けることにより、外部電源に回り込む入力電気信号を低減している。一方で、光送信モジュールには、光信号の強度を安定化するために、半導体レーザ素子の光信号をモニタするためのフォトダイオードと、フォトダイオードのモニタ信号に応じて光信号の強度が一定になるように制御するＡＰＣ回路とが備えられている。
特開２００５−３３０１９号公報

しかしながら、インダクタのインピーダンスは、周波数依存性を有しており、周波数が低くなるほど小さくなる。このため、入力電気信号のうち比較的低い周波数成分が外部電源に回り込むことを防ぐことは困難である。また、ＡＰＣ回路内の帰還ループの断線や、フォトダーオードの故障等が発生した場合には、ＡＰＣ回路の作用により外部電源から半導体レーザ素子に過大電流が供給される虞があるが、従来の駆動回路の構成ではこの過大電流を防止することが困難であった。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、入力電気信号の外部電源への回り込みによる光信号の劣化を広い周波数帯にわたって防止すると同時に、光信号における過発光を防止することが可能な光送信モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光送信モジュールは、入力電気信号に応じた光信号を出力する光送信モジュールであって、外部電源に接続される電源端子と、光信号を出力する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子に並列に接続され、且つ入力電気信号が制御端子に入力されることによって、電源端子から半導体レーザ素子に供給される電流を入力電気信号に応じて分流する第１のトランジスタと、一方の電流端子が第１のトランジスタの電流端子に接続され、他方の電流端子が電源端子に接続され、制御端子が安定電位に接続された第２のトランジスタと、電源端子の電位を検出し、該電位と基準電位との比較結果に応じて、第２のトランジスタの制御端子と他方の電流端子との間の電圧を制限する内部電圧制御回路とを備える。なお、外部電源は、光送信モジュールの外部に配置された電流源を含む概念である。

このような光送信モジュールにおいては、第１のトランジスタの制御端子に入力電気信号が入力されることにより、電源端子から第１のトランジスタの電流端子に向けて流れ込む電流が入力電気信号に応じて制御され、その結果、電源素子から半導体レーザ素子に流れる電流が制御され、入力電気信号に応じた光信号の変調が実現される。ここで、第１のトランジスタの電流端子と電源端子との間には第２のトランジスタが接続され、第２のトランジスタの制御端子は安定電位に接続されているので、第２のトランジスタの入力抵抗が小さく出力抵抗が大きくされる。従って、外部電源から供給される電流を大きく低減することなく半導体レーザ素子に供給することができる一方、入力電気信号を外部電源側に効率よく遮断して外部電源への回り込みを抑えることができる。併せて、内部電圧制御回路により電源端子の電位と基準電位との比較結果に応じて、第２のトランジスタの２つの電流端子間の電流が制限されるので、半導体レーザ素子に流れ込む過大電流を防止することができる。

電源端子と第２のトランジスタの制御端子との間に接続された抵抗素子を更に備え、内部電圧制御回路は、第２のトランジスタの制御端子にスイッチ素子を介して接続され、該制御端子に直流電圧を印加する内部電圧発生回路と、電源端子の電位と基準電位との比較結果に応じて、スイッチ素子を開閉する電源電圧検出回路とを有することが好ましい。かかる内部電圧制御回路によれば、電源端子の電位と基準電位との比較結果に応じて、第２のトランジスタの制御端子と電源端子との間をショートすることで、第２のトランジスタに流れ込む電流が制限される。

また、電源端子と第２のトランジスタの制御端子との間に接続された抵抗素子を更に備え、内部電圧制御回路は、第２のトランジスタの制御端子に端部が接続された直列抵抗と、直列抵抗によって分圧された検出電圧が入力され、該検出電圧と基準電位との差に比例した電圧を出力する第１の誤差増幅器と、第１の誤差増幅器の出力に制御端子が接続され、第２のトランジスタの制御端子に電流端子が接続された第３のトランジスタと、電源端子の検出電圧と基準電位との差に比例した電圧を出力する第２の誤差増幅器と、第２の誤差増幅器の出力に制御端子が接続され、第１の誤差増幅器の入力に電流端子が接続された第４のトランジスタとを有することも好ましい。

この場合、直列抵抗、第１の誤差増幅器、及び第３のトランジスタを含むシャントレギュレータが構成され、第２のトランジスタの制御端子の電位が変動した場合でも、電源端子とその制御端子との間に接続された抵抗素子を介して外部電源から吸い込む電流量が制御される。これにより、第２のトランジスタの制御端子の電位を一定に保持することができる。このようなシャントレギュレータには、直列抵抗に対して並列に第４のトランジスタが接続され、第２の誤差増幅器の機能により、電源端子の電位と基準電位との比較結果に応じて第４のトランジスタがオンオフされる。これにより、外部電源の電位と基準電位との比較結果に応じてシャントレギュレータにおける電流の吸い込みを停止することで、第２のコンデンサの制御端子と電流端子との間をショートすることができる。その結果、外部電源の電位に応じて第２のトランジスタに流れ込む電流が制限される。

本発明の光送信モジュールによれば、入力電気信号の外部電源への回り込みによる光信号の劣化を広い周波数帯にわたって防止すると同時に、光信号における過発光を防止することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光送信モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、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実施形態に係る光送信モジュールを示す回路図である。同図には、光送信モジュール１を駆動するための周辺回路部として、自動光出力制御回路（ＡＰＣ回路）２、及び変調ドライバ３が示されている。光送信モジュール１は、レーザダイオード（ＬＤ）４、フォトダイオード（ＰＤ）５、レーザ駆動回路６、モニタ端子７、電源端子８、信号入力端子９、及び接地端子１０を備えている。以下、光送信モジュール１の構成要素について詳細に説明する。

ＬＤ４は、光信号を出力する半導体レーザ素子である。ＬＤ４は、電流源（外部電源）１１に接続された電源端子８を介して駆動され、電流源１１から電流を受けて発光する。

ＰＤ５は、ＬＤ４の発する光信号のパワー（光強度）をモニタする光検出器であり、そのカソードはモニタ端子７に、アノードは接地端子１０を介して接地されている。ＰＤ５は、光信号の平均パワーに対応したモニタ電流を生成する。このモニタ電流は、モニタ端子７を介して光送信モジュール１からＡＰＣ回路２に出力される。

レーザ駆動回路６は、ＡＰＣ回路２の出力電流Ｉを受けると共に、変調ドライバ３から信号入力端子９を介して変調信号（入力電気信号）を受け、この変調信号に応じてＬＤ４に流れる電流を増減する。これにより、変調信号に対応した光信号がＬＤ４で生成される。

ＡＰＣ回路２は、光信号の平均パワーが一定になるように、ＰＤ５によって生成されたモニタ電流に応じて、電流Ｉの大きさを制御する。そのために、ＡＰＣ回路２は、電流／電圧変換回路１２、誤差増幅器１３、および電流源１１を有している。電流／電圧変換回路１２は、モニタ電流を電圧に変換して、誤差増幅器１３の一方の入力端子へ出力する。誤差増幅器１３の他方の入力端子には、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１が入力されている。誤差増幅器１３は、電流／電圧変換回路１２の電圧と基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１との差に比例した電圧を制御電圧として電流源１１へ出力する。電流源１１は、電源１４から電源電圧が印加されることで動作し、誤差増幅器１３からの制御電圧に応じた大きさの電流Ｉをレーザ駆動回路６へ出力する。

変調ドライバ３は、外部からのデータ信号Ｄ_ｉｎに応じた変調信号Ｖ_ｍを生成し、信号入力端子９を介してレーザ駆動回路６に変調信号Ｖ_ｍを供給する。

次に、レーザ駆動回路６の構成についてより詳細に説明する。レーザ駆動回路６は、第１のトランジスタ１５、第２のトランジスタ１６、内部電圧制御回路１７、及び抵抗素子１８，１９を有している。本実施形態では、第１のトランジスタ１５はｎ型ＭＯＳＦＥＴであり、第２のトランジスタ１６はｐ型ＭＯＳＦＥＴである。

第１のトランジスタ１５は、ＬＤ４を変調するために使用される。トランジスタ１５はＬＤ４に並列に接続されており、その二つの電流端子であるドレインおよびソースが、それぞれＬＤ４のアノード及びカソードに接続されている。そのため、電流源１１の出力電流Ｉは、トランジスタ１５の状態に応じた分流比でＬＤ４とトランジスタ１５とに分流されることとなる。トランジスタ１５のソースは、ＬＤ４のカソードとともに、グランド電位に接続された接地端子１０を介して接地されている。一方、トランジスタ１５のゲート（制御端子）には、変調ドライバ３から変調信号Ｖ_ｍが入力される。

なお、本実施形態では、トランジスタ１５のゲートとソースとの間に抵抗素子１８が接続されている。抵抗素子１８のインピーダンスは変調ドライバ３の出力インピーダンスと一致しており、抵抗素子１８はインピーダンスミスマッチングによる変調信号Ｖ_ｍの波形劣化を抑制する。

このようなトランジスタ１５は、変調信号Ｖ_ｍに応じて電流Ｉの分流比、すなわち、電流源１１からＬＤ４に供給される電流を変更し、ＬＤ４をシャント駆動する。具体的には、変調信号Ｖ_ｍがハイレベルのとき、トランジスタ１５はオン状態となり、電流源１１の出力電流Ｉの大部分がトランジスタ１５のドレイン−ソース間に流れる。このため、ＬＤ４に流れる電流が十分に低くなり、光信号がローレベルとなる。一方、変調信号Ｖ_ｍがローレベルのときは、トランジスタ１５がオフ状態となり、電流Ｉの大部分がＬＤ４に流れるので、光信号はハイレベルとなる。この結果、光信号は、データ信号Ｄ_ｉｎに対応したデータを表すこととなる。

トランジスタ１５のドレインと電源端子８との間において電流Ｉが流れる経路上には、第２のトランジスタ１６が接続されている。トランジスタ１６のドレインは、ＬＤ４のアノードおよびトランジスタ１５のドレインに接続されている。また、トランジスタ１６のソースは電源端子８に接続されている。トランジスタ１６のゲートと電源端子８との間には、抵抗素子１９が接続されている。光信号の出力中、トランジスタ１６は、そのゲートに電圧が印加されてオン状態となる。本実施形態では、この電圧は内部電圧制御回路１７から印加される。

内部電圧制御回路１７は、電源電圧検出回路２０、内部電圧発生回路２１、及びスイッチ２２から構成されている。

電源電圧検出回路２０は、電源端子８及びトランジスタ１６のソースに接続され、電源端子８及びトランジスタ１６のソースにおける電位Ｖ_１を検出して、その電位Ｖ_１と所定の閾値Ｖ_Ｔｈ１とを比較し、比較結果に応じてスイッチ２２の開閉を制御する。すなわち、電源電圧検出回路２０は、検出した電位Ｖ_１が閾値Ｖ_Ｔｈ１より大きい場合は、スイッチ２２をオフするように制御し、それ以外の場合は、スイッチ２２をオンするように制御する。このような制御により、電位Ｖ_１の大きさに応じてトランジスタ１６のゲートとソースとの間の電圧が０Ｖに近い値に制限される。

内部電圧発生回路２１は、その出力がトランジスタ１６のゲートにスイッチ２２を介して接続されており、その出力に安定した直流電圧Ｖ_ｒを生成する。これにより、トランジスタ１６のゲートは安定電位Ｖ_ｒに接続され、交流的に接地される。このような内部電圧発生回路２１としては、例えばシャントレギュレータが用いられる。

以下、本実施形態の作用効果について説明する。

一般的なトランジスタと同様に、第２のトランジスタ１６のドレイン−ソース間には内部抵抗が存在する。この内部抵抗は、第１のトランジスタ１５のドレインと電源端子８との間に挿入されている。したがって、この内部抵抗は、トランジスタ１５に印加される変調信号Ｖ_ｍを遮断し、電源端子８および電流源１１への回り込みを抑える。インダクタンスと異なり、内部抵抗の大きさは周波数に対して変化しにくいので、変調信号Ｖ_ｍの電流源１１への回り込みをより広い周波数帯域に渡って抑えることができる。この結果、光送信モジュール１は、光信号の波形歪をいっそう低減することができる。

併せて、第２のトランジスタ１６は、シャントレギュレータを含む内部電圧発生回路２１により抵抗素子１９を流れる電流量が調整されることにより、そのゲートが安定電位Ｖ_ｒに設定されている。従って、そのゲートは交流的に接地されているため、入力抵抗、すなわちソース側からみた抵抗が小さく、出力抵抗、すなわちドレイン側からみた抵抗が大きい。入力抵抗が小さいので、電源端子８からソースへ流れ込む電流Ｉは大きく低減されず、したがって、ＬＤ４に十分に電流を供給することができる。一方、出力抵抗は大きいので、ドレイン側の変調信号Ｖ_ｍを電流源１１に向けて効率よく遮断し、電流源１１への回り込みを良好に抑えることができる。

ここで、第２のトランジスタ１６のゲートを安定電位にすることで電源電圧の安定化が実現される一方で、ＡＰＣ制御が起因して電源端子８の電位Ｖ_１が何らかの原因で増大した場合は、ＬＤ４に過電流が流れる虞がある。本実施形態では、電位Ｖ_１が閾値Ｖ_Ｔｈ１に比較して大きくなってしまった場合に、トランジスタ１６のゲート−ソース間をショートしてトランジスタ１６の電流端子間を流れる電流を制限する。その結果、ＰＤ５の端子の断線時やＡＰＣ回路２の帰還ループの断線時における電位Ｖ_１の上昇によるＬＤ４の過電流を防止して、レーザ素子の保護、及び装置の安全性の向上を実現することができる。特に、本実施形態のようにレーザ素子をシャント駆動により駆動している場合、シリーズ駆動等の他の駆動方式に比して過電流が発生し易くなるが、内部電圧制御回路１７により効果的に過電流を防止することができる。

また、本実施形態では、第２のトランジスタ１６が電流源１１に対してカスケード接続され、且つ、光送信モジュールの内部に内部電圧制御回路１７が備えられているので、ＬＤ４、ＰＤ５、レーザ駆動回路６を同一パッケージ内に実装した場合でも、端子７〜１０以外の端子を必要としない。その結果、光送信モジュール１は小型化と製造コストの削減が容易である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係る光送信モジュール３１の要部を示す回路図である。光送信モジュール３１は、内部電圧制御回路の回路構成が第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

図２に示すように、光送信モジュール３１の内部電圧制御回路４７は、本実施形態ではシャントレギュレータを含む回路であり、バンドギャップリファレンス回路（ＢＧＲ）４８、第１の誤差増幅器４９、第２の誤差増幅器５０、第３のトランジスタ５１、第４のトランジスタ５２、及び抵抗素子５３，５４，５５，５６，５７から構成されている。このＢＧＲ４８、誤差増幅器４９、トランジスタ５１、抵抗素子５３，５４，５５によってシャントレギュレータが構成されている。

トランジスタ１６のゲートと接地端子１０との間には、抵抗素子５３と抵抗素子５４の直列回路が接続され、その中点が第１の誤差増幅器の非反転入力に接続されている。また、抵抗素子５４に並列にトランジスタ５２が接続され、トランジスタ５２はスイッチとして機能する。今、トランジスタ５２がオフの状態（定常の動作条件）を仮定すると、誤差増幅器４９の出力はトランジスタ５１を介してトランジスタ１６のゲートに接続されているので、誤差増幅器４９、トランジスタ５１、抵抗素子５３、５４はシャントレギュレータを構成し、トランジスタ１６の電位を抵抗素子５３、５４で分圧した値が、ＢＧＲからの信号Ｖ_ｒｅｆ２と等しくなる様に帰還制御が働く。すなわち、トランジスタ１６のゲート電位を一定とする様に動作する。

このように、抵抗素子５３，５４，５５、誤差増幅器４９、及びトランジスタ５１によって構成される回路は、出力電圧Ｖ_ｒを基準電位Ｖ_ｒｅｆ２で決定される一定値に制御する。温度変化やＡＰＣ回路２の作用によって電源端子８の電位が変動しても、内部電圧制御回路４７は、トランジスタ５１に流れる電流を変更することで、レーザ駆動回路６内の抵抗素子１９を流れる電流及びそこでの電圧降下量を調整し、出力電圧Ｖ_ｒを一定に保持する。

なお、抵抗素子５５は、誤差増幅器４９の出力の飽和を防止すると共に、帰還ループの閉ループ利得を減少させ、帰還ループを安定化する。誤差増幅器４９の出力が飽和せず、帰還ループの安定性が得られるのであれば、抵抗素子５５を除去してもよい。

また、電源端子８と接地端子１０との間には、抵抗素子５６，５７が直列に接続されている。誤差増幅器５０の反転入力端子には、ＢＧＲ４８から基準電位Ｖ_ｒｅｆ２が入力され、非反転入力端子は、抵抗素子５６と抵抗素子５７との間に接続されている。これにより、誤差増幅器５０の非反転入力端子には、電源端子８の電位Ｖ_１が抵抗素子５６，５７によって分圧された検出電圧が入力される。誤差増幅器５０は、その出力がトランジスタ５２のベース（制御端子）に接続されている。トランジスタ５２は、誤差増幅器５０からの出力電圧に応じて誤差増幅器４９の非反転入力と接地端子１０との接続をオン−オフする。

以上説明した光送信モジュール３１によれば、電源端子８の電位Ｖ_１と基準電位Ｖ_ｒｅｆ２との比較結果に応じて、シャントレギュレータを構成する誤差増幅器４９の非反転入力端子と接地端子１０との間に接続されたトランジスタ５２がオン−オフされる。すなわち、今、抵抗素子５３、５４の合計抵抗値が抵抗素子５５の抵抗値よりも十分大きいとすると（抵抗素子５３、５４に流れる電流が、トランジスタ５１、抵抗素子５５に流れる電流よりも十分小さいとすると）、電位Ｖ_１が何等かの原因で上昇し、その分圧電位（検出電位）がＢＧＲから参照信号Ｖ_ｒｅｆ２よりも大きくなった場合は、誤差増幅器の出力は正側に振れトランジスタ５２はオンとなる。トランジスタ５２は抵抗素子５４に並列に接続されているので、結果、抵抗素子５４が短絡され、誤差増幅器４９の非反転入力がほぼ接地電位にプルダウンされる。これにより、トランジスタ５１はオフされるので、外部電源の電位の大きさに応じてシャントレギュレータにおける電流の吸い込みを停止することで、トランジスタ１６のゲートとソースとの間をショートすることができる。その結果、外部電源の電位が増大した場合に、トランジスタ１６に流れ込む電流の制限が可能になる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。

上記の実施形態では、第２のトランジスタ１６のゲートに電圧を印加する内部電圧発生回路としてシャントレギュレータを使用するが、安定した直流電圧を生成する他のレギュレータを使用してもよい。また、内部電圧発生回路として、抵抗素子１９に直列に接続された抵抗素子を用いてもよい。このとき、トランジスタ１６のゲートは、２つの抵抗素子間に接続される。これらの抵抗素子からなる抵抗列の両端に電源端子８の直流電圧が印加されるので、その電圧を二つの抵抗素子によって分圧した直流電圧がトランジスタ１６のゲートに印加される。通常、電源端子８の電圧は大きく変動しないので、このような単純な回路構成でも、トランジスタ１６のゲート電位を十分に安定化することができる。

上記実施形態では第１のトランジスタ１５および第２のトランジスタ１６としてＭＯＳＦＥＴを使用するが、代わりにバイポーラトランジスタであってもよい。バイポーラトランジスタでは、コレクタおよびエミッタが電流端子となり、ベースが制御端子となる。逆に、第３のトランジスタ５１及び第４のトランジスタ５２としてバイポーラトランジスタを使用してもよいし、ＭＯＳＦＥＴを使用してもよい。

上記実施形態では内部電圧制御回路４７の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２を生成するためにＢＧＲを用いるが、ＢＧＲに代えて抵抗素子とツエナ−ダイオードの直列回路を用いても、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２を生成することができる。

本発明の第１実施形態に係る光送信モジュールを示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係る光送信モジュールの要部を示す回路図である。

符号の説明

１，３１…光送信モジュール、４…半導体レーザ素子（ＬＤ）、８…電源端子、１１…電流源（外部電源）、１５…第１のトランジスタ、１６…第２のトランジスタ、１７，４７…内部電圧制御回路、１９…抵抗素子、２０…電源電圧検出回路、２１…内部電圧発生回路、２２…スイッチ素子、４９…第１の誤差増幅器、５０…第２の誤差増幅器、５１…第３のトランジスタ、５２…第４のトランジスタ、５３，５４…抵抗素子（直列抵抗）。

Claims (3)

1. 入力電気信号に応じた光信号を出力する光送信モジュールであって、
   外部電源に接続される電源端子と、
   光信号を出力する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子に並列に接続され、且つ前記入力電気信号が制御端子に入力されることによって、前記電源端子から前記半導体レーザ素子に供給される電流を前記入力電気信号に応じて分流する第１のトランジスタと、
   一方の電流端子が前記第１のトランジスタの電流端子に接続され、他方の電流端子が前記電源端子に接続され、制御端子が安定電位に接続された第２のトランジスタと、
   前記電源端子の電位を検出し、該電位と基準電位との比較結果に応じて、前記第２のトランジスタの前記制御端子と前記他方の電流端子との間の電圧を制限する内部電圧制御回路と、
   を備えることを特徴とする光送信モジュール。
2. 前記電源端子と前記第２のトランジスタの制御端子との間に接続された抵抗素子を更に備え、
   前記内部電圧制御回路は、
   前記第２のトランジスタの制御端子にスイッチ素子を介して接続され、該制御端子に直流電圧を印加する内部電圧発生回路と、
   前記電源端子の電位と前記基準電位との比較結果に応じて、前記スイッチ素子を開閉する電源電圧検出回路とを有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の光送信モジュール。
3. 前記電源端子と前記第２のトランジスタの制御端子との間に接続された抵抗素子を更に備え、
   前記内部電圧制御回路は、
   前記第２のトランジスタの制御端子に端部が接続された直列抵抗と、
   前記直列抵抗によって分圧された検出電圧が入力され、該検出電圧と基準電位との差に比例した電圧を出力する第１の誤差増幅器と、
   前記第１の誤差増幅器の出力に制御端子が接続され、前記第２のトランジスタの制御端子に電流端子が接続された第３のトランジスタと、
   前記電源端子の検出電圧と前記基準電位との差に比例した電圧を出力する第２の誤差増幅器と、
   前記第２の誤差増幅器の出力に制御端子が接続され、前記第１の誤差増幅器の入力に電流端子が接続された第４のトランジスタとを有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の光送信モジュール。

Images