JP4879940B2 - 光送信回路 - Google Patents

Description

本発明は、波形整形機能付光送信回路に関するものである。

近年、情報通信の発達に伴い、光伝送の高速化、容量の増大化、伝送距離の長距離化が進んでおり、非常に高度な伝送技術が要求されている。例えば、光伝送技術の１形態としてＰＯＮ（Passive Optical Network）システムがある。このシステムでは、１つの局舎と複数の加入者宅を時分割多重で接続しているが、近年この局舎と加入者宅間の伝送においても、データ伝送の長距離化、高速化が進んでいる。長距離伝送を行うためには、送信しなければならないパワーレベルが大きくなるので、大電流を駆動せねばならず、そのためには、駆動トランジスタサイズが大きくなるが、それに伴いトランジスタ及びそれに接続される配線の負荷容量も大きくなる。その結果、立ち上がり、立ち下がりの十分な応答が不可能となり、高速応答が困難になるという課題が生じた。受信器において伝送後のデータを受信する場合に、立ち上がり、立ち下がり特性の不十分なデータを受信すると、パターン効果が起こり、データ欠けが生じる等、データ品質が劣化する可能性がある。

従来、データを送信する光送信回路において、低速通信の場合には消費電力の面で優位なシングル駆動方式が主に使用されていたが、６２２Ｍｂｐｓ、１．２５Ｇｂｐｓ、…と通信速度が高速になるにつれ差動駆動方式の使用が主流となっている。

このような中で、送信データの波形整形のためにとられた対策の一例として、レーザーダイオードの変調電流振幅と連動してレーザーダイオード駆動用差動スイッチトランジスタの入力電圧振幅を制御する技術が知られている（特許文献１参照）。
特開平５−２１８５４３号公報

しかしながら、上記従来の差動駆動方式では、駆動電流に応じた波形の鈍り改善や、オーバーシュートの抑制等の波形整形は行われるが、対称的なアイパターンを実現するために同一能力の相補出力を持つスイッチ駆動回路で差動スイッチトランジスタを制御しているので、立ち上がり特性（又は立ち下がり特性）に特化したデータ波形の改善を行うことはできず、特に通信が１Ｇｂｐｓ超といったように高速化した場合に、十分な立ち上がり特性（又は立ち下がり特性）を実現することが困難になるという課題があった。

上記課題を解決するために、本発明が講じた解決手段は、発光素子駆動用差動スイッチを構成する２つのトランジスタのうちの一方に並列に補助スイッチトランジスタを接続した構成の採用にある。差動スイッチトランジスタのうちの一方に補助スイッチトランジスタを並列接続することで、これら両トランジスタの合計サイズを、差動スイッチトランジスタのうちの他方のトランジスタのサイズよりも大きくする。しかも、補助スイッチトランジスタを駆動する信号は、差動スイッチトランジスタを駆動する信号よりも早いタイミングで入力される。

上記本発明の構成をとることによって、立ち上がり（又は、立ち下がり）の急峻な、波形整形された信号を駆動出力することが可能となり、その結果、高速、長距離伝送時にも、データ品質劣化のない、安定した光通信システムの構築が可能となる。

〈第１の実施形態〉
図１に、本発明における光送信回路の第１の実施形態を示す。本光送信回路は、レーザーダイオード（ＬＤ）等の発光素子１と、共通接続されたソースを持つ第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２から構成された発光素子駆動用差動スイッチ２と、補助スイッチを構成するように第１のトランジスタＭ１に並列に接続された第３のトランジスタＭ３と、これら第１、第２及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３のソースに接続された電流Ｉｍの変調電流源３と、ＬＤ１にバイアス電流Ｉｂを供給するバイアス電流源４と、第１、第２及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３を各々駆動する遅延機能付きスイッチ駆動回路１１，１２，１３とから構成される。ＩＮ１１，ＩＮ１２，ＩＮ１３はスイッチ駆動回路入力信号、ＩＮ１，ＩＮ２，ＩＮ３はスイッチ駆動信号、Ｖ＋，Ｖ−は電源電圧である。また図１には、回路構成と併せてスイッチ駆動信号ＩＮ１，ＩＮ２，ＩＮ３の各々の波形が示されている。

上記構成の説明を行う。まず、ＬＤ１に接続されたドレインを持つ第１のトランジスタＭ１が第１のスイッチ駆動信号ＩＮ１でオンし導通状態になり、第２のトランジスタＭ２が第２のスイッチ駆動信号ＩＮ２でオフし非導通状態になると、変調電流源３で設定された電流Ｉｍにバイアス電流源４で設定された電流Ｉｂが付加されてＬＤ１に流れ、ＬＤ１で電流−光変換されて出力される。次に、第１のトランジスタＭ１が第１のスイッチ駆動信号ＩＮ１でオフし非導通状態になり、第２のトランジスタＭ２が第２のスイッチ駆動信号ＩＮ２でオンし導通状態になると、変調電流源３で設定された電流ＩｍはＬＤ１には流れなくなるので、バイアス電流源４で設定された電流ＩｂのみがＬＤ１に流れ、ＬＤ１で電流−光変換されて出力される。このように変調電流源３で設定された電流Ｉｍのオン，オフにより、通信用データのＨ，Ｌが生成、送信される。

ここで、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２は大電流を駆動しなければならないので、トランジスタサイズが数ｍｍと大きく、そのため、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２のゲート容量及びこれらのトランジスタＭ１，Ｍ２につながる配線容量は非常に大きくなる。そこで、このままＬＤ１を駆動しても、急峻に波形が立ち上がらない（又は、立ち下がらない）。そこで、本発明では、第１のトランジスタＭ１に並列に補助スイッチとして第３のトランジスタＭ３を付加し、遅延機能付きスイッチ駆動回路１１，１２から第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２に相補のスイッチ駆動信号ＩＮ１，ＩＮ２を入力して駆動するよりも少し早いタイミングで、遅延機能付きスイッチ駆動回路１３から第３のトランジスタＭ３に第３のスイッチ駆動信号ＩＮ３を入力し、オンさせる。この構成により、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２の応答よりも早いタイミングでＬＤ１への電流の駆動を開始することができるので、立ち上がり特性が改善される。

なお、ここでは第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２には相補のスイッチ駆動信号ＩＮ１，ＩＮ２が入力され、第３のトランジスタＭ３にのみ早いタイミングでスイッチ駆動信号ＩＮ３が入力されるものとしたが、立ち上がり特性が改善するようなタイミングであれば、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２へのスイッチ駆動信号ＩＮ１，ＩＮ２のタイミングは差動ではなく、各々遅延量が異なっても構わない。

また、第１及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ３へ入力される信号ＩＮ１，ＩＮ３を同じタイミングで入力したほうが良い場合には、そのようにしても構わない。

また、ここでは３つの遅延機能付きスイッチ駆動回路１１，１２，１３を用いて第１、第２及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３を駆動したが、１つのスイッチ駆動回路を用いて３つの駆動信号を生成し、第１、第２及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３を駆動しても構わない。

また、遅延調整機能は、遅延機能付きスイッチ駆動回路１１，１２，１３の全てで実現しても構わないし、そのうちの１つ又は２つの遅延量は一定とし、残りの遅延機能付きスイッチ駆動回路を用いて遅延を調整しても構わない。

〈第２の実施形態〉
図２に、本発明における光送信回路の第２の実施形態を示す。本光送信回路は、第１の実施形態の光送信回路において、第１、第２及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３を各々駆動する遅延機能付きスイッチ駆動回路１１，１２，１３の代わりに、遅延機能のない通常のスイッチ駆動回路２１，２２，２３を用いた構成とし、スイッチ駆動回路２１，２２，２３から出力される信号のデータ振幅が異なることを特徴とする。ただし、ここでは通常のスイッチ駆動回路２１，２２，２３を用いて説明するが、遅延機能付きスイッチ駆動回路を用いて構成しても構わない。

第２の実施形態では、第３のトランジスタＭ３を駆動するために第３のスイッチ駆動回路２３から出力されるデータ振幅を、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２を駆動するために第１及び第２のスイッチ駆動回路２１，２２から出力されるデータ振幅よりも大きく生成する。これにより、第１のトランジスタＭ１のオンする能力を第３のトランジスタＭ３で補強し、第２のトランジスタＭ２のオフする能力より大きくし、立ち上がり能力を向上することで、急峻な立ち上がり特性を実現している。

なお、第２のトランジスタＭ２を駆動するために第２のスイッチ駆動回路２２から出力されるデータ振幅を、第１及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ３を駆動するために第１及び第３のスイッチ駆動回路２１，２３から出力されるデータ振幅よりも小さく生成することにより、第２のトランジスタＭ２のオフする能力を、第１及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ３のオンする能力より小さくし、立ち下がり能力を弱めることで、急峻な立ち上がり特性を実現してもよい。

また、第１及び第３のスイッチ駆動回路２１，２３から出力されるデータ振幅を同じとし、かつ第２のスイッチ駆動回路２２から出力されるデータ振幅より大きくしても構わない。

〈第３の実施形態〉
図３に、本発明における光送信回路の第３の実施形態を示す。本光送信回路は、第１の実施形態の光送信回路において、第１、第２及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３を各々駆動する遅延機能付きスイッチ駆動回路１１，１２，１３の代わりに、遅延機能のない通常のスイッチ駆動回路３１，３２，３３を用いた構成とし、スイッチ駆動回路３１，３２，３３の駆動能力が異なることを特徴とする。ただし、ここでは通常のスイッチ駆動回路３１，３２，３３を用いて説明するが、遅延機能付きスイッチ駆動回路を用いて構成しても構わない。

第３の実施形態では、第３のトランジスタＭ３を駆動するための第３のスイッチ駆動回路３３の駆動能力を、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２を駆動するための第１及び第２のスイッチ駆動回路３１，３２の駆動能力よりも大きく設定する。これにより、第１のトランジスタＭ１のオンする能力を第３のトランジスタＭ３で補強し、第２のトランジスタＭ２のオフする能力より大きくすることで、急峻な立ち上がり特性を実現している。

なお、第１及び第３のスイッチ駆動回路３１，３３の駆動能力を同じとし、かつ第２のスイッチ駆動回路３２の駆動能力より大きくしても構わない。

〈第４の実施形態〉
図４に、本発明における光送信回路の第４の実施形態を示す。本光送信回路は、第１の実施形態の光送信回路において、第１、第２及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３を各々駆動する遅延機能付きスイッチ駆動回路１１，１２，１３の代わりに、遅延機能のない通常のスイッチ駆動回路４１，４２，４３を用いた構成とし、スイッチ駆動回路４１，４２，４３からの出力信号のＤＣレベルが異なることを特徴とする。ただし、ここでは通常のスイッチ駆動回路４１，４２，４３を用いて説明するが、遅延機能付きスイッチ駆動回路を用いて構成しても構わない。

第４の実施形態では、第３のトランジスタＭ３を駆動するための第３のスイッチ駆動回路４３の出力する信号のＤＣレベルを、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２を駆動するための第１及び第２のスイッチ駆動回路４１，４２の出力する信号のＤＣレベルよりも高く設定する。これにより、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２の応答よりも早いタイミングで、第３のトランジスタＭ３がオンし始め、ＬＤ１への電流の駆動が開始されるので、急峻な立ち上がり特性が実現される。

なお、第１及び第３のスイッチ駆動回路４１，４３から出力される信号のＤＣレベルを同じとし、かつ第２のスイッチ駆動回路４２から出力される信号のＤＣレベルより高くしても構わない。

〈第５の実施形態〉
図５に、本発明における光送信回路の第５の実施形態を示す。本光送信回路は、第１の実施形態の光送信回路において、第１、第２及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３を各々駆動する遅延機能付きスイッチ駆動回路１１，１２，１３の代わりに、遅延機能のない通常のスイッチ駆動回路５１，５２及びデューティ調整機能付きスイッチ駆動回路５３を用いた構成とし、スイッチ駆動回路５１，５２，５３から出力される信号のデューティが異なることを特徴とする。

第５の実施形態では、第３のトランジスタＭ３を駆動するための第３のスイッチ駆動回路５３から出力される信号のデューティを変更し、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２を駆動するために第１及び第２のスイッチ駆動回路５１，５２から出力される信号よりもハイレベルの期間を長くする。これにより、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２の応答よりも早いタイミングから、第３のトランジスタＭ３がオンし始め、ＬＤ１への電流の駆動が開始されるので、急峻な立ち上がり特性が実現される。

さて、第１〜第５の実施形態の構成は単独で用いても構わないし、次に第６及び第７の実施形態として例示するように、いくつかを組み合わせて用いても構わない。これらを組み合わせた構成を用いることで、発光素子出力波形の立ち上がり特性が更に改善されるとともに、弊害のない（立ち下がり特性の劣化がない等の）駆動出力波形が実現できる。

〈第６の実施形態〉
図６に、本発明における光送信回路の第６の実施形態を示す。本光送信回路は、第１の実施形態と第５の実施形態とを組み合わせたものである。図６において、６１，６２は遅延機能付スイッチ駆動回路、６３は遅延機能及びデューティ調整機能付スイッチ駆動回路である。

〈第７の実施形態〉
図７に、本発明における光送信回路の第７の実施形態を示す。本光送信回路は、第２の実施形態と第４の実施形態とを組み合わせたものである。図７において、７１，７２，７３はスイッチ駆動回路である。

さて、上記各実施形態は、それぞれ以下のような変形が可能である。ただし、第１の実施形態に係る変形例のみについて図示して説明する。

〈第１の変形例〉
図８に示すように、第２のトランジスタＭ２の入力を所望の固定電圧ＶＢ２としても構わない。

〈第２の変形例〉
今まで示した実施形態では、現状ある構成に同様の構成のスイッチトランジスタＭ３を付加し、その入力を調整することで、立ち上がり特性の改善を行っている。しかしここで、スイッチトランジスタＭ３を付加することは、差動スイッチ２そのものの駆動能力を変更することと等価となり、発光素子駆動用差動スイッチトランジスタＭ１，Ｍ２への制御信号を変更するよりも、非常に大きな改善効果を得ることができる。

ゆえに、図９に示すように、第３のトランジスタＭ３を付加する手法のみでも、発光素子駆動用差動スイッチ２自体の駆動能力が変更され、第１及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ３からなる複合トランジスタのオンする能力が、第２のトランジスタＭ２のオフする能力よりも大きくなるので、急峻な立ち上がり特性が実現できる。

〈第３の変形例〉
図１０に示すように、第２のトランジスタＭ２のサイズよりも第１のトランジスタＭ１と第３のトランジスタＭ３とのサイズの和を大きく設定することができる。これによって、第１のトランジスタＭ１のオンする能力を第３のトランジスタＭ３で補強し、第２のトランジスタＭ２のオフする能力よりも大きくし、立ち上がり能力を向上することで、急峻な立ち上がり特性を実現できる。

なお、第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２は差動スイッチとして同一サイズとし、第３のトランジスタＭ３のサイズだけを大きく設定しても構わないし、第１のトランジスタＭ１と第３のトランジスタＭ３との合計として第２のトランジスタＭ２のサイズよりも大きくしても構わない。

更に、第１及び第３のトランジスタＭ１，Ｍ３と第２のトランジスタＭ２との回路構成、レイアウトを同様とし、トランジスタサイズのみが異なる構成とすると、波形の対称性を保持した上で、立ち上がり特性が改善されるので、より最適な出力波形の実現が可能となる。

以上、立ち上がり特性の改善について説明したが、立ち下がり特性を改善したい場合には、第３のトランジスタＭ３の代わりに、第２のトランジスタＭ２に並列に補助スイッチとして第４のトランジスタを付加すればよい。

本発明に係る光送信回路は、波形整形機能を有した光送信回路であり、光通信用装置一般に活用できる。

本発明の第１の実施形態に係る光送信回路の回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る光送信回路の回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る光送信回路の回路図である。 本発明の第４の実施形態に係る光送信回路の回路図である。 本発明の第５の実施形態に係る光送信回路の回路図である。 本発明の第６の実施形態に係る光送信回路の回路図である。 本発明の第７の実施形態に係る光送信回路の回路図である。 本発明に係る光送信回路の第１の変形例の回路図である。 本発明に係る光送信回路の第２の変形例の回路図である。 本発明に係る光送信回路の第３の変形例の回路図である。

符号の説明

１ 発光素子
２ 発光素子駆動用差動スイッチ
３ 変調電流源
４ バイアス電流源
１１，１２，１３ 遅延機能付スイッチ駆動回路
２１，２２，２３ スイッチ駆動回路
３１，３２，３３ スイッチ駆動回路
４１，４２，４３ スイッチ駆動回路
５１，５２ スイッチ駆動回路
５３ デューティ調整機能付スイッチ駆動回路
６１，６２ 遅延機能付スイッチ駆動回路
６３ 遅延機能・デューティ調整機能付スイッチ駆動回路
７１，７２，７３ スイッチ駆動回路
ＩＮ１，ＩＮ２，ＩＮ３ スイッチ駆動信号
ＩＮ１１，ＩＮ１２，ＩＮ１３ スイッチ駆動回路入力信号
Ｍ１，Ｍ２ 発光素子駆動用差動スイッチトランジスタ
Ｍ３ 発光素子駆動用補助スイッチトランジスタ
ＶＢ２ バイアス電圧（固定電圧）

Claims (2)

1. 発光素子を駆動するための光送信回路であって、
   前記発光素子に電流経路の一端が接続された第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタの前記電流経路の他端に電流経路の一端が接続された第２のトランジスタとから構成された発光素子駆動用差動スイッチと、
   前記第１のトランジスタの前記電流経路に電流経路が並列に接続された第３のトランジスタと、
   前記第１、第２及び第３のトランジスタの前記各電流経路の共有接続部に接続された変調電流源と、
   前記発光素子にバイアス電流を供給するバイアス電流源と、
   前記第１、第２及び第３のトランジスタを駆動するスイッチ駆動回路とを備え、
   前記第１のトランジスタに前記第３のトランジスタを並列接続することで、前記第１のトランジスタと前記第３のトランジスタとの合計サイズは、前記第２のトランジスタのサイズよりも大きく、
   前記第３のトランジスタを駆動する信号は、前記第１及び第２のトランジスタを駆動する信号よりも早いタイミングで入力されることを特徴とする光送信回路。
2. 発光素子と、
   前記発光素子に電流経路の一端が接続された第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタの前記電流経路の他端に電流経路の一端が接続された第２のトランジスタとから構成された発光素子駆動用差動スイッチと、
   前記第１のトランジスタの前記電流経路に電流経路が並列に接続された第３のトランジスタと、
   前記第１、第２及び第３のトランジスタの前記各電流経路の共通接続部に接続された変調電流源と、
   前記発光素子にバイアス電流を供給するバイアス電流源と、
   前記第１、第２及び第３のトランジスタを駆動するスイッチ駆動回路とを備え、
   前記第１のトランジスタに前記第３のトランジスタを並列接続することで、前記第１のトランジスタと前記第３のトランジスタとの合計サイズは、前記第２のトランジスタのサイズよりも大きく、
   前記第３のトランジスタを駆動する信号は、前記第１及び第２のトランジスタを駆動する信号よりも早いタイミングで入力されることを特徴とする光送信回路。

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