JP4959617B2 - 光送信回路 - Google Patents

Description

本発明は光送信回路に関し、特に、光通信システム用のレーザダイオード駆動回路の回路方式に関する。

従来、発光素子を差動型の変調器により駆動する光送信回路が知られている（たとえば特許文献１参照）。

図５は、かかる従来の光送信回路２０の一例を示す回路図である。同図に示すように、光送信回路２０は、レーザダイオード８００と、伝送線路３０１，３０２，３０３，３０４および交流結合コンデンサ７０１，７０２を介してレーザダイオードに差動変調電流を供給する変調器９００と、レーザダイオード８００にインダクタ２０１，２０２を介してバイアス電流を供給する電流源１０１と、から構成されている。

図５に示す従来の光送信回路２０では、レーザダイオード８００のカソード端子およびアノード端子に設けられたインダクタ２０１，２０２が、変調電流のような交流信号に対して高インピーダンスになるように構成されている。このため、電流源１０１、グランドラインおよび電源ラインへの変調電流の漏れがインダクタ２０１，２０２により抑制され、差動変調電流が効率良くレーザダイオード８００に流れるようになっている。

電流源１０１の具体的な素子としては、バイポーラ型トランジスタもしくは電界効果型トランジスタが用いられる。インダクタ２０１，２０２としては、実装面積や定格許容電流を考慮して、数μＨ〜数十μＨのチップインダクタやチップビーズが用いられる場合がある。
特開２００４−１９３４８９号公報

伝送線路３０１，３０２，３０３，３０４の特性インピーダンスは、変調器の出力インピーダンスと整合が得られるよう２５Ω〜５０Ω程度に設計されている。

図６は、レーザダイオード８００の順方向電流に対する順方向電圧および光出力強度の一例を示すグラフである。図６に示すように、レーザダイオード８００は、順方向電流が増加するにつれて、光出力強度が増加するとともに、順方向電圧が増加する。レーザダイオード８００を動作させる際には数十ｍＡ程度のバイアス電流が供給されるが、この際に順方向電流と順方向電圧の傾きから得られるレーザダイオード８００のインピーダンスは数Ω〜十数Ω程度であり、伝送線路３０１，３０２，３０３，３０４に比べて小さい。

このため、伝送線路３０３，３０４とレーザダイオード８００との接続点でインピーダンス不整合が発生し、高周波信号の一部がレーザダイオード８００に伝達されず、変調器９００に反射波として戻ってくる場合がある。また、実際には変調器９００と伝送線路３０１，３０２との接続点にも僅かながらインピーダンス不整合が存在するため、変調器９００まで戻ってくる反射波の一部が、変調器９００と伝送線路３０１，３０２との接続点でさらに反射される場合がある。すなわち、インピーダンス不整合点である伝送線路の両端で反射が生じ、結果的に共振現象が起こる場合がある。このような共振現象を引き起こす多重反射波はレーザダイオード８００に供給される電気信号に高周波ノイズとして重畳されるため、レーザダイオード８００で生成される光信号にも高周波ノイズが重畳してしまう。

このインピーダンス不整合の問題を解決するために、伝送線路３０１，３０２，３０３，３０４の特性インピーダンスおよび変調器９００の出力インピーダンスを、レーザダイオード８００のインピーダンスである数Ω〜十数Ω程度まで低下させるという手法もある。しかしながら、変調器９００の出力インピーダンスを数Ω〜十数Ω程度まで低下させた状態でレーザダイオード８００を駆動させるために必要な電圧振幅を確保しようとすると、変調器９００の消費電力が増加するという別の課題が生じてしまう。以下、変調器９００の消費電力が増加する理由を説明する。

図７は変調器９００の代表的な回路構成例を示す図である。図７に示す変調器９００は、電流源９３１と、エミッタ端子が相互に接続され差動型電流スイッチを構成するトランジスタ９２１，９２２と、出力抵抗９１１，９１２と、から構成されている。

図７に示すように、トランジスタ９２１，９２２のベース端子に差動電圧信号が印加されると、差動型電流スイッチを構成するトランジスタ９２１，９２２の一方がＯＮ状態、他方がＯＦＦ状態となるため、電流源９３１より供給される電流は出力抵抗９１１および出力抵抗９１２のいずれか一方に選択的に流れる。また、レーザダイオード８００を駆動させる電圧振幅は、出力抵抗９１１，９１２と、出力抵抗９１１，９１２に流れる電流（電流源９３１の電流量）と、の積によって決まる。

ここで、変調器９００の出力インピーダンスをレーザダイオード８００のインピーダンスである数Ω〜十数Ω程度まで低下させるには、出力抵抗９１１、９１２の抵抗値をそれぞれ数Ω〜十数Ω程度に設定する必要がある。しかしながら、このような低出力抵抗値ではレーザダイオード８００を駆動させるために必要な電圧振幅が得られないため、出力抵抗の低下を補うよう電流源９３１の電流を増加させなければならない。

このように、変調器９００の出力インピーダンスをレーザダイオード８００のインピーダンスである数Ω〜十数Ω程度まで低下させると、インピーダンス不整合は解消するが、変調器９００の消費電力が増加するという別の課題が生じてしまう。すなわち、変調器９００の出力インピーダンスをレーザダイオード８００のインピーダンスに整合させる手法では、光信号波形の品質向上と低消費電力とを両立させることが困難であった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、低消費電力で高品質の光信号波形を実現する光送信回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光送信回路は、発光素子と、第１および第２の伝送線路を介して前記発光素子の陽極および陰極に差動変調電流を供給する変調器と、前記発光素子に順方向バイアス電流を供給する電流源と、を備える光送信回路であって、前記発光素子のインピーダンスは、前記変調器の出力インピーダンスに整合するよう形成された前記第１および第２の伝送線路の特性インピーダンスより低く、前記光送信回路は、前記第１および第２の伝送線路の少なくとも一部を覆うよう配置される電波吸収体を含むことを特徴とする。

伝送線路の少なくとも一部を覆うよう配置される電波吸収体は、高周波信号の伝送に伴って伝送線路周辺に形成される電磁界を低減する役割を果たす。このため、本発明によれば、発光素子のインピーダンスと第１および第２の伝送線路の特性インピーダンスとの不整合によって生じる差動変調電流の反射波が低減されるようになり、高品質の光信号波形を実現することができる。また、変調器の出力インピーダンスを発光素子のインピーダンスに整合させる必要がないため、変調器の消費電力の増加を防ぐことができる。

また、本発明の一態様では、前記電波吸収体は、前記差動変調電流の基本周波数より高周波側における電波吸収率が前記基本周波数における電波吸収率より高い材料からなる。この態様によれば、差動変調電流の低減を防ぎつつ、差動変調電流の多重反射によって生じる定在波を低減することができる。すなわち、インピーダンス不整合によって生じる差動変調電流の反射波を好適に低減することができる。

また、本発明の一態様では、前記電波吸収体は、前記差動変調電流の基本周波数より高周波側における透磁率の虚数部が前記基本周波数における透磁率の虚数部より大きい材料からなる。透磁率の虚数部は電波の吸収（電磁界の損失）に寄与する成分であるため、この態様によれば、インピーダンス不整合によって生じる差動変調電流の反射波を好適に低減することができる。

また、本発明の一態様では、前記電波吸収体は、比誘電率が１より大きい材料からなる。この態様によれば、高周波信号の伝送に伴って伝送線路周辺に発生する電界に係る電波吸収体内の電束密度や磁束密度が増加する。このため、インピーダンス不整合によって生じる差動変調電流の反射波を好適に低減することができる。

また、本発明の一態様では、前記第１および第２の伝送線路の一部は、フレキシブル基板上に形成され、前記電波吸収体は、シート状であって、前記フレキシブル基板上に形成された前記伝送線路の少なくとも一部を覆うよう配置される。この態様によれば、第１および第２の伝送線路の一部がフレキシブル基板上に形成された場合であっても、フレキシブル基板の可撓性を阻害することなく、インピーダンス不整合によって生じる差動変調電流の反射波を好適に低減することができる。

また、本発明の一態様では、前記伝送線路が前記電波吸収体により覆われる部分の長さは、前記基本周波数における前記電波吸収体の電波吸収率に基づいて決定される。この態様によれば、差動変調電流の許容低減量と、差動変調電流の多重反射によって生じる定在波の所望低減量と、との間のバランスが最適化されるよう、電波吸収体の形状を決定することができる。

また、本発明の一態様では、前記電波吸収体は、磁性体材料からなる。

なお、上記各態様において、前記発光素子の陰極は、前記電流源を介してグランドラインに接続されてもよい。また、前記光送信回路は、前記発光素子の陰極と前記グランドラインとの間に接続される第１のインダクタをさらに含んでもよいし、前記発光素子の陽極と電源ラインとの間に接続される第２のインダクタをさらに含んでもよい。また、前記光送信回路は、前記発光素子と前記変調器とを接続する前記第１および第２の伝送線路に挿入される交流結合素子をさらに含んでもよい。

本発明によれば、発光素子のインピーダンスと第１および第２の伝送線路の特性インピーダンスとの不整合によって生じる差動変調電流の反射波が低減されるようになり、高品質の光信号波形を実現することができる。また、変調器の出力インピーダンスを発光素子のインピーダンスに整合させる必要がないため、変調器の消費電力の増加を防ぐことができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光送信回路１０の外観図である。図２は、光送信回路１０の回路図である。

図１および２に示すように、光送信回路１０は、レーザダイオード８００と、伝送線路３０１，３０２、交流結合コンデンサ７０１，７０２、および伝送線路３０３，３０４を介してレーザダイオード８００に差動変調電流を供給する変調器９００と、レーザダイオード８００のカソード端子に接続されるインダクタ２０１と、インダクタ２０１とグランドラインとの間に接続される電流源１０１と、レーザダイオード８００のアノード端子と電源ラインとの間に接続されるインダクタ２０２と、伝送線路３０３、３０４上の一部または全部に電波吸収体の１つとして配置される磁性体シート４００と、を含んで構成される。

変調器９００は、ガラスエポキシ基板６０１上に搭載され、正相変調電流および逆相変調電流を出力する差動の出力端子が、伝送線路３０１，３０２に接続されている。変調器９００は、上述したように（図７参照）、変調器９００の入力端子に印加される差動電圧信号（ハイレベルまたはローレベル）に応じて差動変調電流を出力し、レーザダイオード８００で生成される光信号の強度をハイレベルまたはローレベルに変調する。なお、本実施形態では、差動変調電流の基本周波数を５ＧＨｚとし、変調器９００においてそれぞれの出力抵抗が５０Ω程度に設定されているものとする。

伝送線路３０１，３０２は、グランドプレーンを有するガラスエポキシ基板６０１上に形成された差動の伝送線路であり、グランドプレーンとの間でマイクロストリップ線路を構成している。伝送線路３０３，３０４は、グランドプレーンを有するフレキシブル基板６０２上に形成された差動の伝送線路であり、グランドプレーンとの間でマイクロストリップ線路を構成している。差動変調電流などの高周波信号を伝送する伝送線路３０１，３０２，３０３，３０４の周辺には、高周波信号の変動に応じた高周波電磁界が形成される。なお、伝送線路３０１，３０２，３０３，３０４の種類としては、コプレーナ線路などのマイクロストリップ線路以外の伝送線路であってもよい。

本実施形態では、伝送線路３０１、３０２、３０３、３０４の線路幅を設定することにより、その特性インピーダンスが変調器９００の出力インピーダンスとほぼ等しくなるように設計されている。

電流源１０１は、レーザダイオード８００に数十ｍＡ程度の順方向バイアス電流を供給する。レーザダイオード８００の両端に接続されたインダクタ２０１，２０２は、変調器９００からレーザダイオード８００に供給される差動変調電流を阻害することなく、電流源１０１がレーザダイオード８００に順方向バイアス電流を供給できるように設けられたものである。また、伝送線路３０１，３０２と伝送線路３０３，３０４との間に挿入された交流結合コンデンサ７０１，７０２は、レーザダイオード８００に供給されるバイアス電流によって生じる電圧降下によって変調器９００の駆動電圧が不足することを防ぐために設けられたものである。

レーザダイオード８００には、電流源１０１より順方向バイアス電流が供給される。また、レーザダイオード８００には、変調器９００より差動変調電流が供給される。

レーザダイオード８００のインピーダンスは数Ω〜十数Ω程度であり、レーザダイオード８００のカソード端子およびアノード端子にそれぞれ接続される伝送線路３０３，３０４の特性インピーダンスより低い。このため、レーザダイオード８００と伝送線路３０３，３０４との接続点にインピーダンス不整合が存在し、この接続点で高周波信号（差動変調電流）の反射波が発生する。上記のとおり、実際には変調器９００と伝送線路３０１，３０２との接続点にも僅かながらインピーダンス不整合が存在するため、変調器９００まで戻ってくる反射波の一部が、変調器９００と伝送線路３０１，３０２との接続点でさらに反射される。すなわち、インピーダンス不整合点である伝送線路の両端で反射が生じ、結果として定在波が生じることになる。

本実施形態では、伝送線路３０３，３０４の一部または全部を覆うよう伝送線路３０３，３０４上に電波吸収体の１つである磁性体シート４００を貼り付けることにより、上記定在波を損失させ、レーザダイオード８００と伝送線路３０３，３０４との接続点から変調器９００に向かう高周波信号の反射波を低減するようにしている。以下、磁性体シート４００が高周波信号の反射波を低減する理由を説明する。

図３は、縦軸を透磁率（複素透磁率）の虚数部、横軸を周波数として磁性体シート４００の透磁率特性の一例を示した図である。透磁率の虚数部は、電波の吸収すなわち電磁界の損失に寄与する成分である。同図に示すように、磁性体シート４００は、差動変調電流の基本周波数５ＧＨｚより高周波側に位置する上記定在波の周波数における透磁率の虚数部が、５ＧＨｚにおける透磁率の虚数部より大きい材料で構成されている。このため、伝送線路３０３，３０４上に配置された磁性体シート４００は、高周波信号を伝送する伝送線路３０３，３０４周辺に形成される電磁界のうち、差動変調電流に係る５ＧＨｚ帯の電磁界の損失を抑えつつ、５ＧＨｚより高周波の電磁界だけを大きく損失させることができる。５ＧＨｚより高周波の電磁界には上記定在波に係る電磁界が含まれているため、高周波信号の反射波の一部が伝送線路３０３，３０４上に貼り付けられた磁性体シート４００によって吸収されることになる。

また、本実施形態では、実装上の自由度を向上させるため、伝送線路３０３，３０４がフレキシブル基板６０２上に形成されている。このため、このフレキシブル基板６０２の柔軟性を損なわないためにも、この伝送線路３０３，３０４上に貼り付ける磁性体シート４００は厚さの薄いものが望ましい。この場合には、差動変調電流の基本周波数より高周波側における透磁率の虚数部が大きいという上記条件に加え、比誘電率が１よりも大きいという条件を満たす材料を磁性体シート４００に採用することが有効である。磁性体シート４００の比誘電率が１よりも大きければ、伝送線路周辺に形成される電磁界を薄い磁性体シート４００内部により多く閉じ込め、効率よく損失させることができるからである。

なお、伝送線路３０３，３０４が磁性体シート４００により覆われる部分の長さは、差動変調電流の基本周波数における磁性体シート４００の電波吸収率（たとえば図３に示す透磁率の虚数部）に基づいて決定してもよい。

ここで、比透磁率の実数部が１．２、比透磁率の虚数部が１．６、かつ、比誘電率の実数部が２６．８、比誘電率の虚数部が２．３という特性を有する材料で構成された磁性体シート４００を適用した場合の効果を示す。

図４（ａ）は、磁性体シート４００を伝送線路に設けない従来の光送信回路２０によって得られる光信号波形の実測結果の一例であり、図４（ｂ）は、磁性体シート４００を伝送線路３０３，３０４上に設けた本実施形態に係る光送信回路１０によって得られる光信号波形の実測結果の一例である。これらは、光送信回路１０，２０それぞれに擬似ランダムデータ信号を加え、レーザダイオード８００から出力される光信号の波形をサンプリングオシロスコープにデータ信号周期単位で重ねて描画させたものである。横軸は時間軸に、縦軸は光信号強度に対応しており、画面上に描画された開口が大きいほど、ハイレベルとローレベルとの差分が大きい（ハイレベルであるかローレベルであるかの識別が容易である）、すなわち光信号の品質が高いことを示している。

図４（ａ）に示す光送信回路２０の光信号波形は、複数の輝線が存在しており、時間軸方向、光信号強度方向ともに光信号波形が滲んだように表示されている。これは磁性体シート４００を伝送線路に設けていないために、多重反射波が合成され、高周波ノイズとして光信号に重畳したためである。これに対して、図４（ｂ）に示す光送信回路１０の光信号波形は、輝線数が抑制されており、時間軸方向、光信号強度方向ともに滲みの少なく、開口の大きい良好な波形をしている。これは、伝送線路３０３，３０４に磁性体シート４００を貼り付けたことにより、高周波ノイズの原因となる多重反射波が低減されたためである。

以上説明した光送信回路１０によれば、フレキシブル基板６０２上に形成された伝送線路３０３，３０４上に配置された磁性体シート４００が、レーザダイオード８００のインピーダンスとフレキシブル基板６０２上に形成された伝送線路３０３，３０４の特性インピーダンスとの不整合によって生じる差動変調電流の反射波を低減するため、高品質の光信号波形を実現することができる。また、変調器９００の出力インピーダンスをレーザダイオード８００のインピーダンスに整合させる必要がないため、変調器９００の消費電力の増加を防ぐことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明は、発光素子と、差動伝送線路を介して発光素子の陽極および陰極に差動変調電流を供給する変調器と、発光素子に順方向バイアス電流を供給する電流源と、を備える光送信回路に広く適用可能である。また、本発明に係る電波吸収体は、高周波帯域における電波吸収率が高いものであればその材質を問わない。

本発明の実施形態に係る光送信回路の外観図である。 本発明の実施形態に係る光送信回路の回路図である。 磁性体シートの透磁率特性（虚数部）の一例を示す図である。 従来の光送信回路が提供する光送信波形の実測結果の一例（ａ）と、本発明の実施形態に係る光送信回路が提供する光送信波形の実測結果の一例（ｂ）である。 従来の光送信回路の一例を示す回路図である。 レーザダイオードの順方向電流に対する順方向電圧および光出力強度の一例を示す図である。 変調器の代表的な回路構成例を示す回路図である。

符号の説明

１０，２０ 光送信回路、１０１ 電流源、２０１，２０２ インダクタ、３０１，３０２，３０３，３０４ 伝送線路、４００ 磁性体シート（電波吸収体）、６０１ ガラスエポキシ基板、６０２ フレキシブル基板、７０１，７０２ 交流結合コンデンサ、８００ レーザダイオード、９００ 変調器、９１１，９１２ 出力抵抗、９２１，９２２ トランジスタ、９３１ 電流源。

Claims (10)

1. 発光素子と、第１および第２の伝送線路を介して前記発光素子の陽極および陰極に差動変調電流を供給する変調器と、前記発光素子に順方向バイアス電流を供給する電流源と、を備える光送信回路であって、
   前記発光素子のインピーダンスは、前記変調器の出力インピーダンスに整合するよう形成された前記第１および第２の伝送線路の特性インピーダンスより低く、
   前記光送信回路は、前記第１および第２の伝送線路の少なくとも一部を覆うよう配置される電波吸収体を含む、
   ことを特徴とする光送信回路。
2. 請求項１に記載の光送信回路において、
   前記電波吸収体は、前記差動変調電流の基本周波数より高周波側における電波吸収率が前記基本周波数における電波吸収率より高い材料からなる、
   ことを特徴とする光送信回路。
3. 請求項２に記載の光送信回路において、
   前記電波吸収体は、前記差動変調電流の基本周波数より高周波側における透磁率の虚数部が前記基本周波数における透磁率の虚数部より大きい材料からなる、
   ことを特徴とする光送信回路。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の光送信回路において、
   前記電波吸収体は、比誘電率が１より大きい材料からなる、
   ことを特徴とする光送信回路。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の光送信回路において、
   前記第１および第２の伝送線路の一部は、フレキシブル基板上に形成され、
   前記電波吸収体は、シート状であって、前記フレキシブル基板上に形成された前記伝送線路の少なくとも一部を覆うよう配置される、
   ことを特徴とする光送信回路。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の光送信回路において、
   前記電波吸収体は、磁性体材料からなる、
   ことを特徴とする光送信回路。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の光送信回路において、
   前記発光素子の陰極は、前記電流源を介してグランドラインに接続される、
   ことを特徴とする光送信回路。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の光送信回路において、
   前記発光素子の陰極と前記グランドラインとの間に接続される第１のインダクタ、
   をさらに含むことを特徴とする光送信回路。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の光送信回路において、
   前記発光素子の陽極と電源ラインとの間に接続される第２のインダクタ、
   をさらに含むことを特徴とする光送信回路。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の光送信回路において、
    前記発光素子と前記変調器とを接続する前記第１および第２の伝送線路に挿入される交流結合素子、
    をさらに含むことを特徴とする光送信回路。
    

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