JP4999469B2 - 光送信回路 - Google Patents

Description

本発明は、光通信分野に用いられる、高速に発光素子を駆動する回路を含んだ光送信回路に関する。

応答速度の比較的遅い発光素子（ＬＥＤ等）を高速に動作させる駆動回路としては、ピーキング技術を利用するものが一般に知られている。このピーキング技術は、発光素子に瞬時電流（以下、ピーキング電流と記す）を与えて、発光素子を強制的に高速応答させる技術である。図２０に、ピーキング技術を用いた一般的な従来の発光素子駆動回路の構成例を示す。また、図２１に、図２０に示す従来の発光素子駆動回路の動作を説明するための波形図を示す。

図２０に示す従来の発光素子駆動回路は、発光素子１０１と、ピーキング電流発生部１０２と、発光素子駆動部１０３とで構成されている。発光素子駆動部１０３には、デジタル信号Ｓ（図２１の波形（ａ））が入力される。ピーキング電流発生部１０２は、このデジタル信号Ｓの立ち上がり及び立ち下がり時に尖塔形状のピーキング電流Ｐ（図２１の波形（ｂ））を発生する。発光素子駆動部１０３は、デジタル信号Ｓとピーキング電流Ｐとを入力し、デジタル信号Ｓの振幅に応じた振幅電流とピーキング電流Ｐとを合波した波形の駆動電流Ｄ（図２１の波形（ｃ））を出力する。発光素子１０１は、この駆動電流Ｄを入力して、デジタル信号Ｓにほぼ一致した波形の光信号（図２１の波形（ｄ））を出力する。このようにして、発光素子１０１の高速応答を実現させている。

しかしながら、上述した従来の発光素子駆動回路で実現できる高速応答は、せいぜい数Ｍｂｐｓ程度である。しかし、数百Ｍｂｐｓ以上の高速応答を実現するためには非常に大きなピーキング電流Ｐが必要であるため、発光素子駆動部１０３において立ち下がり時にクリッピングが生じてしまい、発光素子１０１を高速動作させることができないという問題がある。なお、この問題の解決方法として、発光素子駆動部１０３の直流電流を大きくして、立ち下がり時にクリッピングが生じないようにする方法が考えられる。しかし、消費電力の増大及びデジタル信号のハイ／ローレベルの比である消光比の劣化等の問題があり、最悪の場合には動作保証範囲から外れて発光素子１０１が壊れる恐れもある。

そこで、このような問題を解決するための技術が、特許文献１等で提案されている。図２２に、特許文献１に開示されている従来の発光素子駆動回路の構成例を示す。また、図２３に、図２２に示す従来の発光素子駆動回路の動作を説明するための波形図を示す。

図２２に示す従来の発光素子駆動回路は、図２０に示す従来の発光素子駆動回路に、発光素子１０１に流入する駆動電流Ｄの一部を引き抜くディスチャージ回路１０４をさらに加えた構成である。ピーキング電流発生部１０２では、大きなピーキング電流Ｐ（図２３の波形（ｂ））を発生し、発光素子駆動部１０３は、デジタル信号Ｓ（図２３の波形（ａ））とピーキング電流とを入力し、デジタル信号Ｓの振幅電流とピーキング電流Ｐとを合波した波形、すなわち立ち下がり時のクリッピング量を極力少なくした波形の駆動電流Ｄ（図２３の波形（ｃ））を出力する。発光素子１０１は、この駆動電流Ｄからディスチャージ回路１０４によって電流が引き抜かれた残りの電流Ｄ’（図２３の波形（ｄ））を入力して、光信号（図２３の波形（ｅ））を出力する。この構成により、発光素子１０１に流れる直流電流を小さくして消光比を改善させ、発光素子１０１を動作保証範囲内の電流量で動作させることができる。
特開２００２−６４４３３号公報（第１図）

しかしながら、上述した図２２に示す従来の発光素子駆動回路では、ディスチャージ回路１０４で引き抜く電流分だけ発光素子１０１の駆動電流Ｄを大きくしなければならず、回路の消費電力が大きくなる。
また、クリッピングが生じないように駆動電流Ｄを大きくする必要があるが、非常に大きい電流を流さなければならないため、回路規模が大きくなり過ぎて実用的ではない。

さらに、クリッピングの発生箇所として、発光素子駆動部１０３を構成するトランジスタで発生するクリッピングと、発光素子１０１で発生するクリッピングとが挙げられる。しかし、上記従来の発光素子駆動回路は、発光素子１０１で発生するクリッピングは改善できるが、トランジスタで発生するクリッピングは改善できない。そのため、図２３の波形（ｅ）に示すように、発光素子１０１の立ち下がり時の光出力波形がなまり、劣化してしまうという問題があった。

それ故に、本発明の目的は、消光比が良好で、低消費電力で、かつ、光出力波形のなまりを生じさせずに、発光素子を高速動作させることができる光送信回路を提供することである。

本発明は、入力するデジタル信号に従って発光素子を駆動する光送信回路に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の光送信回路は、第１及び第２のピーキング電流発生部と、第１及び第２の発光素子駆動部とを備えている。第１のピーキング電流発生部は、デジタル信号の立ち上がりに同期した第１のピーキング電流を発生させる。第２のピーキング電流発生部は、デジタル信号の立ち下がりに同期した第２のピーキング電流を発生させる。第１の発光素子駆動部は、デジタル信号の振幅に応じた信号振幅電流と第１のピーキング電流とを合成した第１の駆動電流を生成する。第２の発光素子駆動部は、デジタル信号の振幅に応じた信号振幅電流と第２のピーキング電流とを合成した第２の駆動電流を生成する。そして、第１及び第２の発光素子駆動部は、第２の駆動電流から第１の駆動電流を減算した電流を用いて、発光素子を駆動する。

好ましくは、第１の発光素子駆動部は、駆動電流が、デジタル信号の立ち下がりに同期したピーキング電流を持たないように、信号振幅電流を調整し、第２の発光素子駆動部は、駆動電流が、デジタル信号の立ち上がりに同期したピーキング電流を持たないように、信号振幅電流を調整する。

なお、発光素子に直流電流を供給する直流電流供給部をさらに備えてもよいし、デジタル信号の振幅に応じた振幅電流を発光素子に直接供給する第３の発光素子駆動部をさらに備えてもよい。この構成の場合には、第１の発光素子駆動部は、立ち上がりに同期したピーキング電流だけを発光素子に出力してもよいし、第２の発光素子駆動部は、立ち下がりに同期したピーキング電流だけを発光素子に出力してもよい。また、この場合には、第２のピーキング電流発生部及び第２の発光素子駆動部を省略して、デジタル信号の立ち上がりだけを補償してもよい。

典型的には、第１及び第２のピーキング電流発生部は、それぞれ、直列接続された第１抵抗及び第２抵抗と、第１抵抗に並列接続された容量とで構成される。そして、第１の発光素子駆動部は、ＮＰＮトランジスタを含む構成であり、第２の発光素子駆動部は、ＰＮＰトランジスタを含む構成である。また、光送信回路に発光素子を含んでもよいし、また、この発光素子はＬＥＤであることが望ましい。

また、上記目的を達成するために、本発明の他の光送信回路は、ピーキング電流発生部、発光素子駆動部、信号解析部、及びクリッピング発生部を備えている。ピーキング電流発生部は、デジタル信号の立ち上がり及び立ち下がりに同期したピーキング電流を発生させる。発光素子駆動部は、デジタル信号の振幅に応じた信号振幅電流とピーキング電流とを合成した駆動電流を生成し、その駆動電流を用いて発光素子を駆動する。信号解析部は、デジタル信号を解析し、デジタル信号のパルス幅及び振幅量の少なくとも１つに基づいた制御信号を設定する。クリッピング発生部は、信号解析部が設定した制御信号に応じて、駆動電流のピーキング電流をクリッピングさせる。

好ましくは、クリッピング発生部は、ピーキング電流量に対するクリッピング電流量の割合を所定値以下に設定する。また、クリッピング発生部は、発光素子駆動部が生成する駆動電流のバイアス電流を制御することが望ましい。

典型的には、信号解析部は、デジタル信号のパルス幅を検出するパルス幅検出部と、検出されたパルス幅に応じた制御信号を設定するパルス幅制御部とで構成される。又は、信号解析部は、デジタル信号の振幅量を検出する振幅量検出部と、検出された振幅量に応じた制御信号を設定する振幅量制御部とで構成される。

あるいは、信号解析部は、これらパルス幅検出部、パルス幅制御部、振幅量検出部、及び振幅量制御部と、パルス幅制御部が出力する信号と振幅量制御部が出力する信号とを加算した信号を制御信号として設定する処理部とで構成されてもよい。この構成の場合には、通信相手の装置から送信される光信号を受信する受光素子と、受光素子で受信された信号を増幅する増幅部と、増幅部で増幅された信号の振幅量を検出する信号検出部と、信号検出部の検出結果に基づいて、パルス幅検出部に入力されるデジタル信号の振幅量を制御する振幅量制御部とをさらに含めてもよいし、振幅量制御部に代えて、ピーキング電流発生部が、信号検出部の検出結果に基づいて発生させるピーキング電流の量を制御してもよい。

具体的には、ピーキング電流発生部は、直列接続された第１抵抗及び第２抵抗と、第１抵抗に並列接続された容量とで構成される。特に、信号検出部の検出結果に基づいて発生させるピーキング電流の量を制御させる場合には、ピーキング電流発生部は、直列接続された第１抵抗及び第２抵抗と、第１抵抗に並列接続された容量とで構成されるブロックを複数有し、信号検出部の検出結果に基づいて複数ブロックのいずれか１つを選択的に切り替える構成が好ましい。

また、ピーキング電流量ａ１に対するクリッピング電流量ａ２の割合である所定値ａ２／ａ１は、下記の最良の形態で説明する関係式（６）によって決定されることが好ましい。特に、クリッピング発生部は、伝送速度５００Ｍｂｐｓ付近で発光素子を駆動する場合、所定値ａ２／ａ１を０＜ａ２／ａ１≦０．８の条件で設定することが望ましい。
さらに、光送信回路に発光素子を含んでもよいし、また、この発光素子はＬＥＤであることが望ましい。

上記本発明によれば、立ち上がり時及び立ち下がり時のピーキング電流を別々に与えて、発光素子から出力される光信号波形のなまりをなくすため、立ち上がり速度及び立ち下がり速度共に、所望の速度で発光素子を駆動させることができる。また、立ち下がり時のピーキング電流がクリッピングしないように直流電流を大きくする必要がないため、低消費電力化及び消光比改善の効果が得られる。
また、本発明によれば、瞬時的な駆動電流に対するクリッピング電流の割合を所定値以下とすることで、発光素子の高速応答を実現し、消費電力を低減することができる。

図１は、本発明の第１〜第４の実施形態に共通する光送信回路の概略構成を示す機能ブロック図である。図１において、この光送信回路は、第１のピーキング電流発生部１と、第１の発光素子駆動部２と、第２のピーキング電流発生部３と、第２の発光素子駆動部４と、発光素子５とで構成されている。発光素子５には、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等が、適用可能である。なお、以下の各実施形態では、発光素子５を光送信回路に含めた構成を説明するが、この発光素子５だけが別構成であってもよい。
この構成による光送信回路の動作を、図２の波形図を用いて詳細に説明する。

第１の発光素子駆動部２及び第２の発光素子駆動部４には、デジタル信号Ｓ（図２の波形（ａ））がそれぞれ入力される。第１のピーキング電流発生部１は、このデジタル信号Ｓの変化時に同期し、立ち上がり時に正かつ立ち下がり時に負の尖塔形状のピーキング電流Ｐ１（図２の波形（ｂ））を発生する。また、第２のピーキング電流発生部３は、このデジタル信号Ｓの変化時に同期し、立ち上がり時に負かつ立ち下がり時に正の尖塔形状のピーキング電流Ｐ２（図２の波形（ｃ））を発生する。

第１の発光素子駆動部２は、デジタル信号Ｓとピーキング電流Ｐ１とを入力し、デジタル信号Ｓの振幅電流にピーキング電流Ｐ１を加えた駆動電流Ｄ１（図２の波形（ｄ））を生成する。このとき、第１の発光素子駆動部２は、直流電流を調整して、立ち下がり部分のピーキング電流をなくした駆動電流Ｄ１を生成する。

また、第２の発光素子駆動部４は、デジタル信号Ｓとピーキング電流Ｐ２とを入力し、反転させたデジタル信号Ｓの振幅電流にピーキング電流Ｐ２を加えた駆動電流Ｄ２（図２の波形（ｅ））を生成する。このとき、第２の発光素子駆動部４は、直流電流を調整して、立ち上がり部分のピーキング電流をなくした駆動電流Ｄ２を生成する。

発光素子５には、第２の発光素子駆動部４で生成された駆動電流Ｄ２から第１の発光素子駆動部２で生成された駆動電流Ｄ１が減算器で減算された駆動電流Ｄ３（図２の波形（ｆ））が、出力される。この駆動電流Ｄ３は、立ち下がり用ピーキング電流及び立ち上がり用ピーキング電流を有し、振幅電流が０レベル以上となっている。そして、この駆動電流Ｄ３を発光素子５に入力することで、振幅波形に劣化のない光信号（図２の波形（ｇ））を得ることができる。このようにして、立ち上がり及び立ち下がりのピーキング電流を別回路で生成するため、クリッピングの影響を回避することが容易となり、発光素子５を高速応答させることができる。

以下、本発明の光送信回路の詳細な構成を順に説明する。
〔第１の実施形態〕
図３は、本発明の第１の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成を説明する図である。この第１の実施形態に係る光送信回路では、図１に示した各機能ブロックがそれぞれ以下のように構成される。

第１の発光素子駆動部２は、トランジスタＱ２と、抵抗Ｒ３及びＲ４と、容量Ｃ２とで構成される。このトランジスタＱ２には、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタやＮチャネル電界効果トランジスタ等が用いられる。トランジスタＱ２のベースは、抵抗Ｒ３を介して電源ＶCCに接続され、抵抗Ｒ４を介して接地され、また容量Ｃ２を介してデジタル信号Ｓを入力する。トランジスタＱ２のコレクタは、発光素子５に接続される。抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４及び容量Ｃ２は、第１の発光素子駆動部２の直流電流を調整するために用いられる。

第２の発光素子駆動部４は、トランジスタＱ１と、抵抗Ｒ１及びＲ２と、容量Ｃ１とで構成される。このトランジスタＱ１には、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタやＰチャネル電界効果トランジスタ等が用いられる。トランジスタＱ１のベースは、抵抗Ｒ１を介して電源ＶCCに接続され、抵抗Ｒ２を介して接地され、また容量Ｃ１を介してデジタル信号Ｓを入力する。トランジスタＱ１のコレクタは、発光素子５に接続される。抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及び容量Ｃ１は、第２の発光素子駆動部４の直流電流を調整するために用いられる。

第１のピーキング電流発生部１は、抵抗Ｒ７及びＲ８と、容量Ｃ４とで構成される。抵抗Ｒ７と抵抗Ｒ８とは直列に接続され、第１の発光素子駆動部２のトランジスタＱ２のエミッタと接地との間に挿入される。容量Ｃ４は、抵抗Ｒ７と並列接続される。

第２のピーキング電流発生部３は、抵抗Ｒ５及びＲ６と、容量Ｃ３とで構成される。抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６とは直列に接続され、電源ＶCCと第２の発光素子駆動部４のトランジスタＱ１のエミッタとの間に挿入される。容量Ｃ３は、抵抗Ｒ５と並列接続される。

デジタル信号Ｓがハイレベルからローレベルに変化した場合、トランジスタＱ２のベース電圧が低下し、これに伴いトランジスタＱ２のエミッタ電圧が接地レベルに一致するため、第１の発光素子駆動部２が遮断され、第２の発光素子駆動部４が導通する状態になる。これにより、第２の発光素子駆動部４から出力される立ち下がり時のピーキング電流と、第２の発光素子駆動部４の抵抗Ｒ１及びＲ２で調整した振幅電流とを合成した駆動電流Ｄ２が、トランジスタＱ１のエミッタから発光素子５へ供給される。

また、デジタル信号Ｓがローレベルからハイレベルに変化した場合、トランジスタＱ２のベース電圧が上昇するため、第１の発光素子駆動部２が導通し、第２の発光素子駆動部４は発光素子５のバイアス電流（＝駆動電流Ｄ２）のみが導通する状態になる。これにより、第１の発光素子駆動部２から出力される立ち上がり時のピーキング電流と、第１の発光素子駆動部２の抵抗Ｒ３及びＲ４で調整した振幅電流とを合成した駆動電流Ｄ１が、トランジスタＱ２のコレクタからエミッタ方向に流れる。従って、発光素子５にはこの方向とは逆向きの駆動電流Ｄ１が流れるため、立ち下がり時のピーキング電流と振幅電流とが発光素子５に供給されることになる。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る光送信回路によれば、立ち上がり時及び立ち下がり時のピーキング電流を別々に与えて、発光素子５から出力される光信号波形のなまりをなくす。これにより、立ち上がり速度及び立ち下がり速度共に、所望の速度で発光素子５を駆動させることができる。

〔第２の実施形態〕
図４は、本発明の第２の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成を説明する図である。この第２の実施形態に係る光送信回路は、上記第１の実施形態に係る光送信回路と比べ、第２の発光素子駆動部４の構成が異なる。

第２の発光素子駆動部４は、トランジスタＱ１と、抵抗Ｒ１及びＲ２と、容量Ｃ１及びＣ５とで構成される。抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及び容量Ｃ１は、第２の発光素子駆動部４の直流電流を調整するために用いられる。容量Ｃ５は、トランジスタＱ１のコレクタと発光素子５との間に挿入される。この構成により、デジタル信号Ｓが入力された場合、第２の発光素子駆動部４から出力される駆動電流Ｄ２は、図２の波形（ｅ）に示した電流のうち直流成分がカットされた交流成分の電流、すなわち立ち下がり時のピーキング電流のみとなる。この交流成分だけの駆動電流Ｄ２と第１の発光素子駆動部２から出力される駆動電流Ｄ１とが、発光素子５に供給される。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る光送信回路によれば、第２の発光素子駆動部４の出力から直流成分をカットするため、振幅電流に対して必要なピーキング電流量よりも大きなピーキング電流量が得られ、より高速に発光素子５を駆動させることができる。

〔第３の実施形態〕
図５は、本発明の第３の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成を説明する図である。この第３の実施形態に係る光送信回路は、上記第１の実施形態に係る光送信回路と比べ、第１の発光素子駆動部２の構成が異なる。

第１の発光素子駆動部２は、トランジスタＱ２と、抵抗Ｒ３、Ｒ４及びＲ９と、容量Ｃ２及びＣ６とで構成される。トランジスタＱ２のコレクタは、抵抗Ｒ９を介して電源ＶCCに接続されると共に、容量Ｃ６を介して発光素子５に接続される。この構成により、デジタル信号Ｓが入力された場合、第１の発光素子駆動部２から出力される駆動電流Ｄ１は、図２の波形（ｄ）に示した電流のうち直流成分がカットされた交流成分の電流、すなわち立ち上がり時のピーキング電流のみとなる。この交流成分だけの駆動電流Ｄ１と第２の発光素子駆動部４から出力される駆動電流Ｄ２とが、発光素子５に供給される。

以上のように、本発明の第３の実施形態に係る光送信回路によれば、第１の発光素子駆動部２の出力から直流成分をカットするため、振幅電流に対して必要なピーキング電流量よりも大きなピーキング電流量が得られ、より高速に発光素子５を駆動させることができる。

〔第４の実施形態〕
図６は、本発明の第４の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成を説明する図である。この第４の実施形態に係る光送信回路は、上記第１の実施形態に係る光送信回路と比べ、第１の発光素子駆動部２及び第２の発光素子駆動部４の構成が異なる。

第１の発光素子駆動部２は、上記第３の実施形態と同じ、トランジスタＱ２と、抵抗Ｒ３、Ｒ４及びＲ９と、容量Ｃ２及びＣ６とで構成される。
第２の発光素子駆動部４は、上記第２の実施形態と同じ、トランジスタＱ１と、抵抗Ｒ１及びＲ２と、容量Ｃ１及びＣ５とで構成される回路ブロックＡに加え、トランジスタＱ３と、抵抗Ｒ１０及びＲ１１と、容量Ｃ７とで構成される回路ブロックＢを含んでいる。トランジスタＱ３には、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタやＰチャネル電界効果トランジスタ等が用いられる。

第１の発光素子駆動部２からは、第３の実施形態で説明したように立ち上がり時のピーキング電流のみが出力される。一方、第２の発光素子駆動部４の回路ブロックＡからは、第２の実施形態で説明したように立ち下がり時のピーキング電流のみが出力され、回路ブロックＢ（＝第３の発光素子駆動部）からは、デジタル信号Ｓの直流電流を調整した振幅電流が出力される。

以上のように、本発明の第４の実施形態に係る光送信回路によれば、立ち上がり及び立ち下がりを補償するピーキング電流と、振幅電流とが、発光素子５に供給されるため、立ち上がり速度及び立ち下がり速度共により簡単に所望の速度で発光素子５を駆動させることができる。

なお、図７に示すように、上記第１〜第４の実施形態で説明した回路に直流電流供給部６をさらに含めて、発光素子５に供給する直流電流量を調整してもよい。図７では、直流電流供給部６の一例としてカレントミラー回路を用いているが、その他の直流電流を供給することができる構成を用いてもよい。

〔第５の実施形態〕
上述したように、発光素子５を駆動するには図２の波形（ｆ）で示した駆動電流Ｄ３を用いることが理想的である。ところが、本発明者等の検証によって、立ち下がりのピーキング電流をある程度少なくしても実使用に耐え得ることが分かった。
第５〜第９の実施形態では、立ち下がりのピーキング電流を少なくして消費電力を低減させた光送信回路を説明する。

まず、立ち下がりのピーキング電流をどの程度少なくできるかを説明する。なお、以下に説明する関係式は、ピーキング電流発生部３の構成を一例に説明するものであって、回路構成が変われば関係式も変わることは言うまでもない。

図８の駆動電流波形において、立ち上がり時のピーク電流の絶対値ＩＰＨ、及び立ち下がり時のピーク電流の絶対値ＩＰＬは、デジタル信号Ｓのハイレベル電流ＩＨ及びローレベル電流ＩＬと、第２のピーキング電流発生部３の抵抗Ｒ５及びＲ６とを用いると、次の式（１）及び式（２）で表すことができる。なお、Ｂ１は定数である。
ＩＰＨ＝ Ｂ１×（Ｒ５／Ｒ６）×（ＩＨ−ＩＬ）＋ＩＨ ‥‥（１）
ＩＰＬ＝−Ｂ１×（Ｒ５／Ｒ６）×（ＩＨ−ＩＬ）＋ＩＬ ‥‥（２）

従って、図８に示すピーキング電流量ａ１は、次式（３）で表すことができる。
ａ１＝ＩＰＨ−ＩＨ＝ＩＬ−ＩＰＬ
＝Ｂ１×（Ｒ５／Ｒ６）×（ＩＨ−ＩＬ） ‥‥（３）

次に、図８に示すクリッピング時の動作について考える。トランジスタＱ１のベースに供給するバイアス電流Ｉｂを小さくすると、立ち下がり時のピーク電流ＩＰＬは、０レベル以下となる。しかし、実際には、発光素子５でクリッピングが生じ、ピーク電流（＝ＩＰＬ'）は０レベルとなる。従って、クリッピングが発生した場合の立ち下がり時のピーク電流ＩＰＬは、クリッピングが発生しないときの立ち下がり時のピーク電流相当が０レベル以下に流れていると考える。よって、このクリッピング電流量ａ２は、次式（４）のように、立ち下がり時のピーク電流の絶対値ＩＰＬを用いて表すことができる。
ａ２＝−ＩＰＬ ‥‥（４）

例えば、伝送速度を５００Ｍｂｐｓ及びパルス電流の振幅量（＝ＩＨ−ＩＬ）を１４．４ｍＡｐｐによって発光素子５を駆動する条件を設定した場合、クリッピングが発生しない条件（ａ２／ａ１＝０）で必要なバイアス電流Ｉｂは実験的には１３９．５ｍＡであり、Ｂ１×（Ｒ５／Ｒ６）＝９．１５である。立ち上がり及び立ち下がり時のピーク電流は、上記式（１）及び式（２）によりそれぞれＩＰＨ＝２７８．４ｍＡ及びＩＰＬ＝０ｍＡである。このクリッピングが発生しない条件からバイアス電流Ｉｂを徐々に低減させると、クリッピングが発生し、発光素子５の出力波形になまりが生じる。このとき、立ち下がり時間ｔｆが１ｎｓ（伝送速度５００Ｍｂｐｓに相当）となるａ２／ａ１を評価した結果、約０．８であった。このａ２／ａ１＝０．８の条件において、バイアス電流Ｉｂは３６．６ｍＡであるため、消費電力に関しては、クリッピングが発生しない場合に比べ、約７５％低減させることができる。なお、その他の値としては、ＩＰＨ＝１７５．５ｍＡ、ＩＰＬ'＝０ｍＡ（ＩＰＬ＝−１０２．９ｍＡ）、ａ１＝１３１．７ｍＡ、及びａ２＝１０２．９ｍＡである。

また、図９に、パルス電流の振幅量（＝ＩＨ−ＩＬ）及びバイアス電流Ｉｂをパラメータとして、ピーキング電流量ａ１とクリッピング電流量ａ２との比であるａ２／ａ１を変化させたときの立ち下がり時間ｔｆの実験結果を示す。なお、立ち下がり時間ｔｆが大きくなるに従い、応答速度は遅くなる関係にある。これにより、立ち下がり時間ｔｆを１ｎｓとした伝送速度５００Ｍｂｐｓの場合、ａ２／ａ１を次式（５）の条件にすることで、５００Ｍｂｐｓの高速応答を実現することができる。

また、図９は、次式（６）の関係式で表される。時間ｔｆは、ａ２／ａ１が小さい場合、ピーク電流で決定されるパルスの立ち下がり時間（第１項）が支配的となり、ａ２／ａ１が大きい場合、第２の発光素子駆動部４から出力されるクリッピング電流で決定される立ち下がり時間（第２項）が支配的となる。なお、式（６）のＡ１、Ａ２、Ｎ１、及びＮ２は定数である。また、第１項の時定数τ１は、第２のピーキング電流発生部３の抵抗Ｒ５及びＲ６と容量Ｃ３とで設定したピーク電流の過渡応答で決定され、第２項の時定数τ２は、第２の発光素子駆動部４のトランジスタＱ１及び発光素子５の過渡応答で決定される。これにより、伝送速度に応じたａ２／ａ１を設定することができる。

次に、本発明の第５の実施形態に係る光送信回路を説明する。
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る光送信回路の構成を示す図である。図１０において、第５の実施形態に係る光送信回路は、ピーキング電流発生部３と、発光素子５と、発光素子駆動部７と、クリッピング発生部８と、信号解析部９とを備える。信号解析部９は、パルス幅検出部１０及びパルス幅制御部１１で構成される。ピーキング電流発生部３及び発光素子５は、上記第１〜第４の実施形態で説明した構成と同じである。以下、異なる構成の発光素子駆動部７、クリッピング発生部８、パルス幅検出部１０、及びパルス幅制御部１１を中心に、第５の実施形態に係る光送信回路を説明する。

発光素子駆動部７は、トランジスタＱ１と、抵抗Ｒ１６と、容量Ｃ１及びＣ８とで構成される。このトランジスタＱ１には、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタやＰチャネル電界効果トランジスタ等が用いられる。トランジスタＱ１のベースは、直列接続された抵抗Ｒ１６及び容量Ｃ８を介して接地され、また容量Ｃ１を介してデジタル信号Ｓを入力する。トランジスタＱ１のコレクタは、発光素子５に接続される。抵抗Ｒ１６と容量Ｃ８との接続点には、クリッピング発生部８から出力される直流電圧が印加される。

パルス幅検出部１０は、入力されるデジタル信号Ｓを発光素子駆動部７に出力すると共に、デジタル信号Ｓのパルス幅を検出し、その検出結果を検出パルス幅としてパルス幅制御部１１に出力する。パルス幅制御部１１は、例えば図１１に示すように比較部１１ａで構成され、所定の基準パルス幅と検出パルス幅とを比較し、この比較結果に基づいた制御信号をクリッピング発生部８に出力する。パルス幅検出部１０の一例としては、パルスの立ち下がり又は立ち上がりを検出する構成が挙げられるが、その他の構成を用いてもよい。また、パルス幅制御部１１の一例として比較部１１ａを用いているが、様々な制御信号を格納したメモリ部を設けて、検出パルス幅に応じていずれか１つの制御信号をメモリ部から読み出す構成にしても実施可能である。

クリッピング発生部８は、抵抗Ｒ１７〜Ｒ１９と、可変抵抗Ｒ２０と、トランジスタＱ６とで構成される。このトランジスタＱ６には、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタやＰチャネル電界効果トランジスタ等が用いられる。可変抵抗Ｒ２０、抵抗Ｒ１９、及び抵抗Ｒ１８は、直列に接続されて電源ＶCCとＧＮＤとの間に挿入される。抵抗Ｒ１８と抵抗Ｒ１９との接続点は、トランジスタＱ６のベースに接続される。トランジスタＱ６のエミッタは、抵抗Ｒ１７を介して電源ＶCCに接続され、かつ、エミッタに現れる直流電圧は、発光素子駆動部７の抵抗Ｒ１６と容量Ｃ８との接続点に出力される。トランジスタＱ６のコレクタは、接地される。可変抵抗Ｒ２０の抵抗値は、パルス幅制御部１１から出力される制御信号に従って変化する。この抵抗値の変化を制御することで、ピーキング電流量に対するクリッピング電流量の割合が所定値以下となるクリッピング量を調整する。

例えば、検出パルス幅が基準パルス幅よりも長い（伝送速度が遅い）場合には、クリッピング発生部８のバイアス電流Ｉｂを小さくし、検出パルス幅が基準パルス幅よりも短い（伝送速度が速い）場合には、クリッピング発生部８のバイアス電流Ｉｂを大きくするように制御する。これにより、デジタル信号Ｓの伝送速度に応じた値にクリッピング電流量ａ２が調整された駆動電流を、発光素子５に供給することができる。

以上のように、本発明の第５の実施形態に係る光送信回路によれば、デジタル信号Ｓの伝送速度に応じて、ピーキング電流量に対するクリッピング電流量の割合が所定値以下となるクリッピング量を自動で調整し、伝送速度に対して必要最小限のクリッピング量にすることができる。これにより、消費電力を低減しつつ、発光素子５の高速応答を実現することができる。

〔第６の実施形態〕
図１２は、本発明の第６の実施形態に係る光送信回路の構成を示す図である。図１２において、第６の実施形態に係る光送信回路は、ピーキング電流発生部３と、発光素子５と、発光素子駆動部７と、クリッピング発生部８と、信号解析部９とを備える。信号解析部９は、振幅量検出部１２及び振幅量制御部１３で構成される。この第６の実施形態は、振幅量検出部１２及び振幅量制御部１３が、上記第５の実施形態の構成と異なる。以下、この異なる構成を中心に、第６の実施形態に係る光送信回路を説明する。

振幅量検出部１２は、入力されるデジタル信号Ｓを発光素子駆動部７に出力すると共に、デジタル信号Ｓの振幅量を検出し、その検出結果を検出振幅量として振幅量制御部１３に出力する。振幅量制御部１３は、例えば図１３に示すように比較部１３ａで構成され、所定の基準振幅量と検出振幅量とを比較し、この比較結果に基づいた制御信号をクリッピング発生部８に出力する。なお、比較部１３ａに代えて、様々な制御信号を格納したメモリ部を設けて、検出振幅量に応じていずれか１つの制御信号をメモリ部から読み出す構成にしても実施可能である。クリッピング発生部８は、振幅量制御部１３から出力される制御信号に従って図１０に示す可変抵抗Ｒ２０の抵抗値を変化させることで、ピーキング電流量に対するクリッピング電流量の割合が所定値以下となるクリッピング量を調整する。

例えば、検出振幅量が基準振幅量よりも大きい場合には、ピーキング電流発生部３で発生するピーク電流が大きくなるため、クリッピング発生部８のバイアス電流Ｉｂを大きくし、検出振幅量が基準振幅量よりも小さい場合には、クリッピング発生部８のバイアス電流Ｉｂを小さくするように制御する。これにより、デジタル信号Ｓの振幅量に応じた値にクリッピング電流量ａ２が調整された駆動電流を、発光素子５に供給することができる。

以上のように、本発明の第６の実施形態に係る光送信回路によれば、デジタル信号Ｓの振幅量に応じて、ピーキング電流量に対するクリッピング電流量の割合が所定値以下となるクリッピング量を自動で調整し、振幅量に対して必要最小限のクリッピング量にすることができる。これにより、消費電力を低減しつつ、発光素子５の高速応答を実現することができる。

〔第７の実施形態〕
図１４は、本発明の第７の実施形態に係る光送信回路の構成を示す図である。図１４において、第７の実施形態に係る光送信回路は、ピーキング電流発生部３と、発光素子５と、発光素子駆動部７と、クリッピング発生部８と、信号解析部９とを備える。信号解析部９は、パルス幅検出部１０、パルス幅制御部１１、振幅量検出部１２、振幅量制御部１３、及び処理部１４で構成される。この第７の実施形態は、上記第５の実施形態と第６の実施形態とを組み合わせた構成であり、処理部１４の構成が異なる。以下、この異なる構成を中心に、第７の実施形態に係る光送信回路を説明する。

この処理部１４は、パルス幅制御部１１が出力する制御信号と、振幅量制御部１３が出力する制御信号とを加算し、この加算した結果を最終的な制御信号としてクリッピング発生部８に出力する。これにより、デジタル信号Ｓの伝送速度及び振幅量の両方に応じた制御信号を出力することができる。

以上のように、本発明の第７の実施形態に係る光送信回路によれば、デジタル信号Ｓの伝送速度及び振幅量の両方に応じて、ピーキング電流量に対するクリッピング電流量の割合が所定値以下となるクリッピング量を自動で調整し、伝送速度及び振幅量に対して必要最小限のクリッピング量にすることができる。これにより、消費電力を低減しつつ、発光素子５の高速応答を実現することができる。

なお、デジタル信号Ｓの伝送速度を検出する処理とデジタル信号Ｓの振幅量を検出する処理とは、順序が前後しても構わない。また、処理部１４では、パルス幅制御部１１の制御信号と振幅量制御部１３の制御信号とを加算した結果を最終的な制御信号として出力する方法例を説明したが、様々な最終的な制御信号を格納したメモリ部を設けて、各々の制御信号に応じていずれか１つの最終的な制御信号をメモリ部から読み出す構成にしても実施可能である。

〔第８の実施形態〕
図１５は、本発明の第８の実施形態に係る光送信回路の構成を示す図である。図１５において、第８の実施形態に係る光送信回路は、ピーキング電流発生部３と、発光素子５と、発光素子駆動部７と、クリッピング発生部８と、信号解析部９とを備える。信号解析部９は、パルス幅検出部１０、パルス幅制御部１１、振幅量検出部１２、振幅量制御部１３、処理部１４、受光素子１５、増幅部１６、信号検出部１７、及び入力信号制御部１８で構成される。この第８の実施形態は、受光素子１５、増幅部１６、信号検出部１７、及び入力信号制御部１８が、上記第７の実施形態の構成と異なる。以下、この異なる構成を中心に、第８の実施形態に係る光送信回路を説明する。

受光素子１５は、通信相手の装置（図示せず）から放射される光信号を受光し、この光信号に応じた電気信号を増幅部１６に出力する。なお、受光素子１５の代わりにアンテナを備えて、通信相手の装置から無線信号を受信する構成にしても構わない。増幅部１６は、受光素子１５から出力される電気信号を所定の利得で増幅する。信号検出部１７は、増幅部１６で増幅された電気信号の振幅量を検出し、その検出結果を検出信号として入力信号制御部１８に出力する。

入力信号制御部１８は、例えば図１６に示すように比較部１８ａと可変利得アンプ１８ｂとで構成される。比較部１８ａは、所定の基準信号と検出信号とを比較し、この比較結果に基づいた制御信号を利得制御信号として可変利得アンプ１８ｂへ出力する。可変利得アンプ１８ｂは、利得制御信号に従ってデジタル信号Ｓの振幅量を制御する。なお、デジタル信号Ｓの振幅量を制御することができれば、可変利得アンプ１８ｂ以外を用いてもよい。振幅量が制御されたデジタル信号Ｓは、パルス幅検出部１０に入力される。

例えば、伝送距離が長く、かつ受光素子１５で受光された光信号が小さい場合、信号検出部１７では、入力信号制御部１８内の基準となる振幅量よりも小さい振幅量を検出するため、入力信号制御部１８においてデジタル信号Ｓの振幅量を大きくする制御を行う。この結果に基づいて、クリッピング発生部８のバイアス電流Ｉｂを大きくするように制御する。一方、伝送距離が短く、かつ受光素子１５で受光された光信号が大きい場合には、反対の制御が行われる。

以上のように、本発明の第８の実施形態に係る光送信回路によれば、通信相手の装置との間の伝送距離に基づいたデジタル信号Ｓの伝送速度及び振幅量の両方に応じて、ピーキング電流量に対するクリッピング電流量の割合が所定値以下となるクリッピング量を自動で調整し、伝送速度及び振幅量に対して必要最小限のクリッピング量にすることができる。これにより、消費電力を低減しつつ、発光素子５の高速応答を実現することができる。

〔第９の実施形態〕
図１７は、本発明の第９の実施形態に係る光送信回路の構成を示す図である。図１７において、第９の実施形態に係る光送信回路は、ピーキング電流発生部１９と、発光素子５と、発光素子駆動部７と、クリッピング発生部８と、信号解析部９とを備える。信号解析部９は、パルス幅検出部１０、パルス幅制御部１１、振幅量検出部１２、振幅量制御部１３、処理部１４、受光素子１５、増幅部１６、及び信号検出部１７で構成される。この第９の実施形態は、ピーキング電流発生部１９が、上記第８の実施形態の構成と異なる。以下、この異なる構成を中心に、第９の実施形態に係る光送信回路を説明する。

信号検出部１７は、増幅部１６で増幅された電気信号の振幅量を検出し、その検出結果を検出信号としてピーキング電流発生部１９に出力する。ピーキング電流発生部１９は、例えば図１８に示すように複数の異なる値の波形ピーキング部１９ａと選択部１９ｂとで構成される。選択部１９ｂは、検出信号に従って複数の異なる値の波形ピーキング部１９ａのいずれか１つを選択的に切り替える。

以上のように、本発明の第９の実施形態に係る光送信回路によれば、通信相手の装置との間の伝送距離に基づいたデジタル信号Ｓの伝送速度及び振幅量の両方に応じて、ピーキング電流量に対するクリッピング電流量の割合が所定値以下となるクリッピング量を自動で調整し、伝送速度及び振幅量に対して必要最小限のクリッピング量にすることができる。これにより、消費電力を低減しつつ、発光素子５の高速応答を実現することができる。

なお、上記第１〜第９の実施形態で示した抵抗、容量、及びトランジスタを用いた詳細な回路は一例であり、それぞれ同一の機能を発揮する回路であれば他の構成であっても構わない。例えば、クリッピング発生部８は、図１９に示すように、可変抵抗Ｒ２０に代えて値が異なる複数の抵抗と切り替えスイッチとを用いてもよい。また、入力するデジタル信号Ｓが固定的であるのならば、デジタル信号Ｓのパルス幅や振幅量を検出することなく、可変抵抗Ｒ２０の抵抗値を固定してもよい。

また、上記第１〜第４の実施形態では、第１の発光素子駆動部２のトランジスタＱ２のエミッタが第１のピーキング電流発生部１を介して接地され、第２の発光素子駆動部４のトランジスタＱ１のエミッタが第２のピーキング電流発生部３を介して電源ＶCCに接続される構成を説明した。しかし、この接続以外にも、トランジスタＱ２のエミッタを電源ＶCCに接続し、トランジスタＱ１のエミッタを接地してもよい。また、電源ＶCCを上限電圧に、接地レベルを下限電圧として説明したが、負の電源を下限電圧に用いても構わない。

また、上記第１〜第４の実施形態では、第１及び第２のピーキング電流発生部でそれぞれピーキング電流を発生させ、立ち上がり速度及び立ち下がり速度の両方を補償した例を説明した。しかし、本発明は、第１のピーキング電流発生部で立ち下がり速度を補償する構成だけでも、従来の構成に対して効果を発揮する。

本発明の光送信回路は、光通信分野に用いられる発光素子を駆動する回路等に利用可能であり、特に消費電力を低減しつつ光信号を高速伝送したい場合等に有用である。

本発明の第１〜第４の実施形態に共通する光送信回路の概略構成を示す機能ブロック図 図１に示す光送信回路の動作を説明するための波形図 本発明の第１の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成図 本発明の第２の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成図 本発明の第３の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成図 本発明の第４の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成図 本発明の他の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成図 本発明の第５〜第９の実施形態に係る光送信回路の動作を説明するための波形図 本発明の第５〜第９の実施形態に係る光送信回路のクリッピング電流と立ち下がり時間との関係を示す図 本発明の第５の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成図 パルス幅制御部１１の詳細な回路例 本発明の第６の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成図 振幅量制御部１３の詳細な回路例 本発明の第７の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成図 本発明の第８の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成図 入力信号制御部１８の詳細な回路例 本発明の第９の実施形態に係る光送信回路の詳細な構成図 ピーキング電流発生部１９の詳細な回路例 クリッピング発生部８の他の詳細な回路例 従来の発光素子駆動回路の概略構成を示す機能ブロック図 図２０に示す発光素子駆動回路の動作を説明するための波形図 従来の他の発光素子駆動回路の概略構成を示す機能ブロック図 図２２に示す発光素子駆動回路の動作を説明するための波形図

符号の説明

１、３、１９、１０２ ピーキング電流発生部
２、４、７、１９３ 発光素子駆動部
５、１０１ 発光素子（ＬＥＤ）
６ 直流電流供給部
８ クリッピング発生部
９ 信号解析部
１０ パルス幅検出部
１１ パルス幅制御部
１１ａ、１３ａ、１８ａ 比較部
１２ 振幅量検出部
１３ 振幅量制御部
１４ 処理部
１５ 受光素子
１６ 増幅部
１７ 信号検出部
１８ 入力信号制御部
１８ｂ 可変利得アンプ
１９ａ 波形ピーキング部
１９ｂ 選択部
１０４ ディスチャージ回路
Ｃ１〜Ｃ８ 容量
Ｑ１〜Ｑ６ トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ２０ 抵抗

Claims (14)

1. 入力するデジタル信号に従って発光素子を駆動する光送信回路であって、
   前記デジタル信号の立ち上がり及び立ち下がりに同期したピーキング電流を発生させるピーキング電流発生部と、
   前記デジタル信号の振幅に応じた信号振幅電流と前記ピーキング電流とを合成した駆動電流を生成し、当該駆動電流を用いて前記発光素子を駆動する発光素子駆動部と、
   前記デジタル信号を解析し、前記デジタル信号のパルス幅及び振幅量の少なくとも１つに基づいた制御信号を設定する信号解析部と、
   前記信号解析部が設定した制御信号に応じて、前記駆動電流の前記ピーキング電流をクリッピングさせるクリッピング発生部とを備える、光送信回路。
2. 前記クリッピング発生部は、前記ピーキング電流量に対するクリッピング電流量の割合を所定値以下に設定することを特徴とする、請求項１に記載の光送信回路。
3. 前記クリッピング発生部は、前記発光素子駆動部が生成する前記駆動電流のバイアス電流を制御することを特徴とする、請求項１に記載の光送信回路。
4. 前記信号解析部は、
   前記デジタル信号のパルス幅を検出するパルス幅検出部と、
   前記検出されたパルス幅に応じた制御信号を設定するパルス幅制御部とを備える、請求項１に記載の光送信回路。
5. 前記信号解析部は、
   前記デジタル信号の振幅量を検出する振幅量検出部と、
   前記検出された振幅量に応じた制御信号を設定する振幅量制御部とを備える、請求項１に記載の光送信回路。
6. 前記信号解析部は、
   前記デジタル信号のパルス幅を検出するパルス幅検出部と、
   前記検出されたパルス幅に応じた信号を出力するパルス幅制御部と、
   前記デジタル信号の振幅量を検出する振幅量検出部と、
   前記検出された振幅量に応じた信号を出力する振幅量制御部と、
   前記パルス幅制御部が出力する信号と前記振幅量制御部が出力する信号とを加算した信号を、制御信号として設定する処理部とを備える、請求項１に記載の光送信回路。
7. 前記信号解析部は、
   通信相手の装置から送信される光信号を受信する受光素子と、
   前記受光素子で受信された信号を増幅する増幅部と、
   前記増幅部で増幅された信号の振幅量を検出する信号検出部と、
   前記信号検出部の検出結果に基づいて、前記パルス幅検出部に入力される前記デジタル信号の振幅量を制御する振幅量制御部とをさらに備える、請求項６に記載の光送信回路。
8. 前記信号解析部は、
   通信相手の装置から送信される光信号を受信する受光素子と、
   前記受光素子で受信された信号を増幅する増幅部と、
   前記増幅部で増幅された信号の振幅量を検出する信号検出部とをさらに備え、
   前記ピーキング電流発生部は、前記信号検出部の検出結果に基づいて、発生させるピーキング電流の量を制御することを特徴とする、請求項６に記載の光送信回路。
9. 前記ピーキング電流発生部は、直列接続された第１抵抗及び第２抵抗と、第１抵抗に並列接続された容量とで構成されることを特徴とする、請求項１に記載の光送信回路。
10. 前記ピーキング電流発生部は、直列接続された第１抵抗及び第２抵抗と、第１抵抗に並列接続された容量とで構成されるブロックを複数有し、前記信号検出部の検出結果に基づいて複数ブロックのいずれか１つを選択的に切り替えることを特徴とする、請求項８に記載の光送信回路。
11. 前記ピーキング電流量ａ１に対するクリッピング電流量ａ２の割合である所定値ａ２／ａ１は、前記ピーキング電流発生部で決定される時定数τ１を含み、前記ピーキング電流により決定されるパルスの立ち下がり時間と、前記発光素子駆動部及び前記発光素子で決定される時定数τ２を含み、前記クリッピング電流により決定されるパルスの立ち下がり時間とに基づいて、定数Ａ１、Ａ２、Ｎ１、Ｎ２、及び立ち下がり時間ｔｆを用いた下記の関係式によって決定されることを特徴とする、請求項１に記載の光送信回路。
    

    
12. 前記クリッピング発生部は、伝送速度５００Ｍｂｐｓ付近で前記発光素子を駆動する場合、前記所定値ａ２／ａ１を０＜ａ２／ａ１≦０．８の条件で設定することを特徴とする、請求項１１に記載の光送信回路。
13. 前記発光素子を構成に含む、請求項１に記載の光送信回路。
14. 前記発光素子がＬＥＤであることを特徴とする、請求項１に記載の光送信回路。

Images