JP4899318B2 - 半導体レーザ駆動回路、およびそれを用いた光伝送装置、レーザプリンタおよびレーザ書込み装置 - Google Patents

半導体レーザ駆動回路、およびそれを用いた光伝送装置、レーザプリンタおよびレーザ書込み装置 Download PDF

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Description

本発明は、バイアス電流に変調電流を重畳して半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動回路、およびそれを用いた光伝送装置、レーザプリンタおよびレーザ書込み装置に関する。
例えば、光ＬＡＮ等の光伝送系においては、半導体レーザによりレーザ光を発光させ、半導体レーザに変調信号を重畳して変調光を生成する光送信モジュールが用いられている。
光送信モジュールに用いられている発光素子駆動回路として、例えば、バイアス発生回路に発光素子である半導体レーザを接続し、この半導体レーザに所定のバイアス電流を流すと共に、変調信号が入力された差動回路の変調出力をＡＣ結合用コンデンサを介して半導体レーザに印加し、バイアス電流と変調出力との合成により半導体レーザを駆動して変調光を得るものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
図２は、従来の発光素子駆動回路を示す。この発光素子駆動回路１００は、非特許文献１に示される商品名「ＭＡＸ３７４０Ａ」のチップセットを用い、かつデータシートの推奨回路に従って構成している。
発光素子駆動回路１００は、半導体レーザ３０を駆動するレーザ駆動ＩＣ１０と、レーザ駆動ＩＣ１０のバイアス出力端子１４にアノードが接続されると共にカソードが接地された半導体レーザ３０と、バイアス出力端子１４と半導体レーザ３０のアノードとを結ぶ配線が挿入されたフェライトビーズ４０と、レーザ駆動ＩＣ１０の＋側の変調電流を出力する出力端子１３ａに一端が接続されたＡＣ結合用コンデンサ５０と、ＡＣ結合用コンデンサ５０と半導体レーザ３０のアノードとの間に接続された抵抗６０と、レーザ駆動ＩＣ１０の−側の変調電流を出力する出力端子１３ｂに一端が接続されたコンデンサ７０と、コンデンサ７０の他端と接地間に接続された抵抗８０とを備える。
レーザ駆動ＩＣ１０は、上記のチップセットＭＡＸ３７４０Ａを用いており、差動回路を形成する一対のトランジスタ１１ａ，１１ｂと、一対の入力端子１２ａ，１２ｂと、上記一対の出力端子１３ａ，１３ｂと、上記バイアス出力端子１４と、入力端子１２ａ，１２ｂ間に直列接続して挿入された抵抗１５，１６と、抵抗１５，１６の中間接続点と電源Ｖｃｃとの間に接続された抵抗１７と、抵抗１５，１６の中間接続点と接地間に接続された抵抗１８と、電源Ｖｃｃとトランジスタ１１ａのコレクタとを接続する抵抗１９と、電源Ｖｃｃとトランジスタ１１ｂのコレクタとを接続する抵抗２０と、共通接続されたトランジスタ１１ａ，１１ｂのエミッタと接地間に接続された定電流源２１と、バイアス発生回路２２とを備えて構成されている。
レーザ駆動ＩＣ１０の出力端子１３ａに接続されたＡＣ結合用コンデンサ５０は、交流結合用であり、抵抗６０との組み合わせにより、所望のハイパスフィルタ特性が得られる容量値に選定される。
図３は、半導体レーザ３０のアノード端子電圧−出力特性を示す。ここでは、出力波長８５０ｍｍの半導体レーザ３０を用いている。この半導体レーザ３０の場合、平均出力が０．５ｍＷ程度になるようにレーザ駆動ＩＣ１０のバイアス出力を調整する。この調整により、半導体レーザ３０のアノード端子には約１．６Ｖが印加される。
また、半導体レーザ３０は、出力の上限が０．７８ｍＷの規格になっている。回路設計上、レーザ出力が最も低い「クラス１」に規定される機器の場合、レーザ安全上から規定出力を超えたレーザ光を発生させないことが重要である。従って、半導体レーザ３０は、上記０．７８ｍＷ（アノードに印加する電圧で２．１Ｖ）を超えないように調整する必要がある。
図２において、入力端子１２ａ，１２ｂに信号が入力されていないとき、半導体レーザ３０には、レーザ駆動ＩＣ１０のバイアス発生回路２２によって一定の電流が流され、連続的にレーザ光を発生している。
次に、入力端子１２ａ，１２ｂに差動信号が変調信号として入力されると、トランジスタ１１ａ，１１ｂは、差動増幅器として動作し、差動信号に応じた波形の交流信号を出力端子１３ａ，１３ｂに変調出力＋，−として出力する。
出力端子１３ａに出力された変調出力＋は、ＡＣ結合用コンデンサ５０および抵抗６０を介して半導体レーザ３０のアノードに印加される。半導体レーザ３０では、バイアス発生回路２２からのバイアス電流を基準に＋側の変調出力に応じて半導体レーザ３０の電流が変動し、これにより半導体レーザ３０から変調光が生成される。
なお、上記の構成とは逆に、半導体レーザのアノードを電源Ｖｃｃに接続すると共に、カソードを電流源に接続してバイアス電流を確保し、カソードにトランジスタの差動対からの変調信号をコンデンサを介して供給する構成の半導体レーザ駆動回路も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
ＭＡＸＩＭ社、「3.2 Gbps SFP VCSEL Driver with Diagnostic Monitors」、第１頁、［online］、［平成１７年２月１日検索］、インターネット＜URL:http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX3740A.pdf＞ 特表２００２−５０８１１６号公報（頁１０、頁１１、第３図）
しかし、従来の発光素子駆動回路によれば、変調電流の出力端子１３ａと半導体レーザ３０のアノードとの接続が、ＡＣ結合用コンデンサ５０を介して行われているため、何らかの原因でＡＣ結合用コンデンサ５０が短絡した場合、抵抗６０は２５Ω程度の低抵抗であり、かつレーザ駆動ＩＣ１０の出力端子１３ａが内部でＶｃｃ（３．３Ｖ）にプルアップされているため、半導体レーザ３０のアノード端子に２．１Ｖ程度の電圧が印加される状態となり、上記のように規定した０．７８ｍＷの出力を越え、「クラス１」の安全基準を逸脱するおそれがある。
また、特許文献１に記載の構成においてＡＣ結合用コンデンサが短絡した場合、半導体レーザには影響が及ばないが、電流源に過大電流が流れ、デバイスを不能にするおそれがある。
従って、本発明の目的は、バイアス電流に変調電流を重畳するためのＡＣ結合用コンデンサに短絡が生じても、半導体レーザが異常発光しないようにするとともに、周辺デバイスを保護できるようにした半導体レーザ駆動回路、およびそれを用いた光伝送装置、レーザプリンタおよびレーザ書込み装置を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、半導体レーザにバイアス電流を供給するバイアス発生回路と、第１の変調電流と、前記第１の変調電流と極性が異なる第２の変調電流とを生成して出力する差動回路とを備え、前記差動回路は、前記第１の変調電流を、直列接続された複数のＡＣ結合用コンデンサを介して前記バイアス電流に重畳して前記半導体レーザを駆動するべく前記半導体レーザに出力するとともに、前記第２の変調電流を、1つのコンデンサと抵抗とを介して、グランドに出力することを特徴とする半導体レーザ駆動回路を提供する。
上記半導体レーザ駆動回路によれば、複数のＡＣ結合用コンデンサのうち一つに破損して短絡状態になっても他のＡＣ結合用コンデンサによって交流結合が維持される。
上記半導体レーザとして、面発光型半導体レーザ等の半導体レーザを用いることができる。
また、本駆動回路は、変調電流がアノード側に供給される半導体レーザと、カソード側に供給される半導体レーザの両方に適用することができる。
上記複数のＡＣ結合用コンデンサは、変調電流の出力端子と半導体レーザのアノードとの間に接続される構成としてもよい。これにより、複数のＡＣ結合用コンデンサのうち一つが破損して短絡状態になっても他のＡＣ結合用コンデンサによって交流結合が維持されるため、半導体レーザに過大な電流が流れるのを防止することができる。
また、本発明は、上記目的を達成するため、半導体レーザ駆動回路により駆動された面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光によって情報を送信する光伝送装置を提供する。
上記光伝送装置によれば、複数のＡＣ結合用コンデンサのうち一つが破損して短絡状態になっても他のＡＣ結合用コンデンサによって交流結合が維持されるため、光伝送を安定して行うことができる。
また、本発明は、上記目的を達成するため、半導体レーザ駆動回路により駆動された面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光によって感光体を露光することを特徴とするレーザプリンタを提供する。
上記レーザプリンタによれば、複数のＡＣ結合用コンデンサのうち一つが破損して短絡状態になっても他のＡＣ結合用コンデンサによって交流結合が維持されるため、安定したプリント出力を得ることができる。
また、本発明は、上記目的を達成するため、半導体レーザ駆動回路により駆動された前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光によって感光体を露光することを特徴とするレーザ書込み装置を提供する。
上記レーザ書込み装置によれば、複数のＡＣ結合用コンデンサのうち一つが破損して短絡状態になっても他のＡＣ結合用コンデンサによって交流結合が維持されるため、安定した書込み動作を行うことができる。
本発明によれば、バイアス電流に変調電流を重畳するためのＡＣ結合用コンデンサに短絡が生じても、半導体レーザが異常発光しないようにすることができ、周辺デバイスを保護することができる。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子駆動回路を示す。この発光素子駆動回路１は、図２で説明したレーザ駆動ＩＣ１０、半導体レーザ３０、フェライトビーズ４０、抵抗６０、コンデンサ７０、および抵抗８０を備える他、出力端子１３ａと半導体レーザ３０のアノードとの間に直列接続して挿入された２つのＡＣ結合用コンデンサ９０ａ，９０ｂとを備える。
レーザ駆動ＩＣ１０は、前述したようにチップセットＭＡＸ３７４０Ａと同様に構成されており、差動回路を形成している一対のトランジスタ１１ａ，１１ｂ、一対の入力端子１２ａ，１２ｂ、一対の出力端子１３ａ，１３ｂ、バイアス出力端子１４、抵抗１５，１６，１７，１８，１９，２０、定電流源２１、およびバイアス発生回路２２を備えて構成されている。
バイアス発生回路２２は、半導体レーザ３０に印加する電圧を、バイアス電圧Ｖｂ＞（Ｖｃｃ−０．２）Ｖの範囲で可変することができ、半導体レーザ３０の特性に合わせて最適な電圧を設定できるように構成されている。例えば、平均出力が０．５ｍＷ程度の半導体レーザ３０に対しては、アノードへの印加電圧を１．６Ｖに設定することができる。
半導体レーザ３０は、平均出力が０．５ｍＷ程度の面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いているが、面発光型以外であってもよい。
ＡＣ結合用コンデンサ９０ａ，９０ｂは、コンデンサ９０ａ，９０ｂの直列合成容量が従来のコンデンサ５０と等しくなるように、例えば、各コンデンサ９０ａ，９０ｂを従来のコンデンサ５０の容量の２倍にする。これにより、従来と同様に所望のハイパスフィルタを構成することができる。
（発光素子駆動回路の動作）
図１において、入力端子１２ａ，１２ｂに信号が入力されていないとき、半導体レーザ３０には、レーザ駆動ＩＣ１０のバイアス発生回路２２によって約１．６Ｖの駆動電圧が印加され、０．５ｍＷ程度の平均出力で連続発光している。
次に、入力端子１２ａ，１２ｂに差動信号が入力されると、トランジスタ１１ａ，１１ｂは、差動増幅器として動作し、差動信号に応じた波形の交流信号を出力端子１３ａ，１３ｂに変調出力＋，−として出力する。
出力端子１３ａに出力された＋側の変調出力は、ＡＣ結合用コンデンサ９０ａ，９０ｂおよび抵抗６０を介して半導体レーザ３０のアノードに印加される。また、出力端子１３ｂに出力された−側の変調出力は、コンデンサ７０を介して抵抗８０に印加される。半導体レーザ３０では、バイアス発生回路２２による動作状態を基準に＋側の変調出力の値に応じて半導体レーザ３０の動作電流が変動し、これにより半導体レーザ３０から変調光が生成される。
仮に、ＡＣ結合用コンデンサ９０ａ，９０ｂの一方が、故障により短絡状態になったとすると、電源Ｖｃｃより抵抗２０を通して出力端子１３ａに印加されている直流電圧は、正常な他方のコンデンサによって阻止され、半導体レーザ３０のアノードには印加されず、半導体レーザ３０の出力上限である０．７８ｍＷの出力を越えることはない。
この第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）変調電流の出力端子１３ａと半導体レーザ３０とを交流結合しているＡＣ結合用コンデンサをコンデンサ９０ａ，９０ｂの２つにし、何れか一方に短絡状態が生じても、他方が交流結合を維持するため、半導体レーザ３０が過大出力になるのを防止することができる。このため、「クラス１」の安全基準を維持することができる。
（ロ）インピーダンス制御された回路基板の特性を損なうことなく、レーザ出力の安全性を確保することができる。
（ハ）ＡＣ結合用コンデンサの搭載数量を変更するだけなので、既存のレーザ駆動回路に容易に適用することができる。
（ニ）高価なインターロック機構を搭載する必要がなく、回路構成が複雑にならないため、安価な回路構成を実現することができる。
なお、交流結合素子として、２つのＡＣ結合用コンデンサ９０ａ，９０ｂを用いたが、３つ以上のコンデンサを用いることもできる。
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態は、半導体レーザの配置を半導体レーザのアノードを電源Ｖｃｃに接続すると共に、カソードを電流源に接続してバイアス電流を確保し、カソードにトランジスタの差動対からの変調信号を直列接続した複数のＡＣ結合用コンデンサを介して供給する構成にしたものである。この場合でも、複数のＡＣ結合用コンデンサの１つが短絡した場合でも、電流源に過大電流が流れるのを防止することができる。
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態は、上記第１および第２の実施の形態において、インターロック機構を付加したものである。このインターロック機構は、半導体レーザ３０を光ファイバ等の導光路に接続するコネクタ（図示せず）にスイッチ等を付加し、コネクタが導光路から外れたときに、それをスイッチによって検出してレーザ出力を遮断し或いは半導体レーザ３０の動作を停止して、光出力の外部への漏洩を阻止できるように構成されている。
この第３の実施の形態によれば、ＡＣ結合用コンデンサ９０ａ，９０ｂの２つが短絡状態になって出力端子１３ａから直流電圧が半導体レーザ３０のアノードに印加された場合でも、半導体レーザ３０が過大出力になるのを阻止できるため、レーザ出力の安全性を高めることができる。
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、発光素子は、半導体レーザに限定されるものではなく、ＬＥＤ等であってもよい。
上記実施の形態においては、光伝送系を対象にして説明したが、レーザプリンタ、レーザ書込装置等における発光素子駆動回路にも本発明を適用可能である。
本発明の第１の実施の形態に係る発光素子駆動回路を示す回路図である。 従来の発光素子駆動回路を示す回路図である。 半導体レーザのアノード端子電圧−出力特性を示す特性図である。
符号の説明
１ 発光素子駆動回路
１０ レーザ駆動ＩＣ
１１ａ，１１ｂ トランジスタ
１２ａ，１２ｂ 入力端子
１３ａ，１３ｂ 出力端子
１４ バイアス出力端子
１５，１６，１７，１８，１９，２０ 抵抗
２１ 定電流源
２２ バイアス発生回路
３０ 半導体レーザ
４０ フェライトビーズ
５０ ＡＣ結合用コンデンサ
７０ コンデンサ
６０，８０ 抵抗
９０ａ，９０ｂ ＡＣ結合用コンデンサ
１００ 発光素子駆動回路

Claims (6)

  1. 半導体レーザにバイアス電流を供給するバイアス発生回路と、
    第１の変調電流と、前記第１の変調電流と極性が異なる第２の変調電流とを生成して出力する差動回路とを備え、
    前記差動回路は、前記第１の変調電流を、直列接続された複数のＡＣ結合用コンデンサを介して前記バイアス電流に重畳して前記半導体レーザを駆動するべく前記半導体レーザに出力するとともに、前記第２の変調電流を、1つのコンデンサと抵抗とを介して、グランドに出力することを特徴とする半導体レーザ駆動回路。
  2. 前記半導体レーザは、面発光型半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ駆動回路。
  3. 前記複数のＡＣ結合用コンデンサは、前記第１の変調電流の出力端子と前記半導体レーザのアノードとの間に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ駆動回路。
  4. 請求項２に記載の半導体レーザ駆動回路により駆動された前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光によって情報を送信することを特徴とする光伝送装置。
  5. 請求項２に記載の半導体レーザ駆動回路により駆動された前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光によって感光体を露光することを特徴とするレーザプリンタ。
  6. 請求項２に記載の半導体レーザ駆動回路により駆動された前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光によって感光体を露光することを特徴とするレーザ書込み装置。
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