JP5195261B2 - 光送信装置 - Google Patents

Description

本発明は、光信号を出力するレーザダイオードと、その光出力をモニタするフォトダイオードを備える光送信装置に関する。

光送信装置において、レーザダイオード等の発光素子から出力される光信号の強度および消光比を、適正な値で安定に制御するための種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、レーザダイオード（ＬＤ）の光出力をフォトダイオード（ＰＤ）によりモニタし、このＰＤ出力の平均値を基準値と比較し、その比較結果をＬＤバイアス電流源に負帰還することにより、バイアス電流を制御している。また、ＰＤ出力のピーク値を基準値と比較し、その比較結果をレーザ駆動電流（パルス電流）源に負帰還して、ＬＤ駆動電流を制御し、ＬＤ信号のデューティ比やリンギングを改善しながら、高速動作が可能なＬＤ駆動回路が開示されている。

また、特許文献２にも、ＰＤからのモニタ値の平均値とピーク値を検出し、バイアス電流回路および高周波重畳回路（変調回路）に負帰還制御し、ＬＤの光出力特性にバラツキがあっても、平均光出力値と消光比を適正に制御することが開示されている。
特開２００６−１００５５５号公報 特開平４−１３９７７９号公報

特許文献１においては、高速動作に対応するために、前置増幅回路の駆動電流を補償する補償電流を供給することにより、スルーレート（Slew Rate）を可変とし、信号の立ち上がり／立ち下り時間を短くし、高速伝送を実現するようにしている。しかしながら、ドライバ出力強度が高周波側で低下し、ＬＤドライバ回路の帯域制限があると、高周波成分の光信号強度が低下するため、前置増幅回路のスルーレートを改善するだけではアイパターンを改善することは難しい。また、特許文献１においては、前置増幅回路の駆動電流源、ＬＤの駆動電流源、バイアス電流源は、同一の比較出力電圧で負帰還制御されている。このため、ＬＤの閾値とスロープ効率が変化した際に、消光比を制御することはできないという問題がある。

また、特許文献２においては、ＬＤ温度が変動したようなときは、ＰＤモニタ値の平均値検出回路からの信号によりバイアス電流が制御され、ＰＤモニタ値の平均値検出回路とピーク値検出回路からの信号により変調電流が制御されて、光出力および消光比を所定値に安定させている。しかしながら、ＬＤの周波数特性、ＬＤの温度変動に伴う高周波特性の変動（例えば、微分抵抗の抵抗値変化によるＲＣ時定数の変化）に対してまでは補償されず、このため、光出力波形の立ち上がり／立ち下り時間等の品質は保証されない。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、信号の伝送速度を高速とした場合であっても、光出力および消光比だけでなく、周波数特性も一定に維持することが可能な光送信装置の提供を目的とする。

本発明による光送信装置は、光信号を出力するレーザダイオードと、該レーザダイオードの光出力をモニタするフォトダイオードを備え、該フォトダイオードのモニタ値によりレーザダイオードのバイアス電流および変調電流を負帰還制御する光送信装置である。バイアス電流は、モニタ値の平均値に基づく負帰還信号により制御され、変調電流は、個別に制御可能なレーザダイオードドライバ回路とプリエンファシスドライバ回路とにより生成される。

上記のレーザダイオードドライバ回路は、モニタ値をローパスフィルタ（ＬＰＦ）と第１のピーク値検出回路により生成した第１の信号により、上記のプリエンファシスドライバ回路は、モニタ値をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）と第２のピーク値検出回路により生成した第２の信号により、それぞれ独立に負帰還制御される。
なお、ＬＰＦは、使用ビットレートの１／２を超える周波数成分をカットし、ＨＰＦは、使用ビットレートの１／２未満の周波数成分をカットする。

本発明によれば、光送信装置を構成するバイアス電流回路、ＬＤドライバ回路、プリエンファシスドライバ回路、前置増幅回路には、それぞれ独立した検出信号が負帰還され、これらの各回路は個別に制御される。この結果、通信信号を高速伝送する場合でも、その光出力、消光比および周波数特性を一定に維持することが可能となる。

図１は本発明による光送信装置の概略を説明する図である。図中、１はレーザダイオード（ＬＤ）、２はＬＤドライバ回路、３はプリエンファシスドライバ回路、４はプリドライバ回路、５は遅延回路、６はバイアス電流源、７はＬＤドライバ電流源、８はプリエンファシスドライバ電流源、９はプリドライバ電流源、１０はフォトダイオード（ＰＤ）、１１はトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）、１２は平均値検出回路、１３はローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１５はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、１４，１６はピーク値検出回路、１７，１８，１９は比較増幅回路、２０ａ，２０ｂ，２０ｃは基準電圧発生回路を示す。

光送信装置は、光信号を送出するレーザダイオード１（以下、ＬＤという）と、該ＬＤの光出力をモニタするフォトダイオード１０（以下、ＰＤという）を備える。ＬＤ１の駆動回路は、ＬＤ１に変調電流を与えるＬＤドライバ回路２と、変調電流をエンファシスするプリエンファシスドライバ回路３とを有し、この回路２，３によるＬＤ駆動出力が負荷抵抗Ｒ１およびＲ２と結合コンデンサＣを介してＬＤ１に加えられる。なお、変調電流のプリエンファシスについては、後述する。

ＬＤ１に所定の光パルス出力を生じさせるＬＤドライバ回路２とプリエンファシスドライバ回路３には、プリドライバ回路４（前置増幅回路ともいう）からの駆動信号が入力され、プリエンファシスドライバ回路３には、遅延回路５により若干遅延された信号が入力される。そして、ＬＤ１にはバイアス電流源６が接続され、ＬＤドライバ回路２にはＬＤドライバ電流源７が接続され、プリエンファシスドライバ回路３にはプリエンファシスドライバ電流源８が接続され、プリドライバ回路４にはプリドライバ電流源９がそれぞれ制御可能に接続される。

ＬＤ１から出力される光信号のほとんどは、光ファイバ等に結合されて光伝送路に送出されるが、残りの一部の光信号は、モニタ用のＰＤ１０で受光される。ＰＤ１０で受光した光信号は光電流信号に変換される。次いで、この光電流信号は、トランスインピーダンスアンプ１１（以下、ＴＩＡという）により、電圧信号に変換されてＬＤ１の光出力のモニタ値として出力される。

ＴＩＡ１１の出力電圧は、平均値検出回路１２に入力されて、ＴＩＡ１１の出力電圧の時間平均した電圧値として出力される。この平均値検出回路１２から出力された平均電圧Ｖaveは、比較増幅回路１７により基準電圧発生回路２０ａの基準電圧Ｖ１と比較され、その電圧差に応じた電圧信号が生成される。比較増幅回路１７からの電圧信号は、ＬＤ１のバイアス電流源６に負帰還され、平均値検出回路１２から出力される平均電圧Ｖaveが基準電圧Ｖ１と等しくなるようにバイアス電流Ｉｂが制御される。この負帰還制御により、ＬＤ１の光出力は一定値に保持される。

また、ＴＩＡ１１の出力電圧は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３に入力され、高周波成分がカットされる。例えば、図２（Ａ）に示すように、ＢＲ（ビットレート）／２以上の周波数成分は通さず、ＢＲ／４以下の成分を通過させるものが用いられる。ＬＰＦ１３を通過した低周波成分の電圧は、第１のピーク値検出回路１４に入力され、検出されたピーク電圧Ｖp1は、比較増幅回路１８に入力される。比較増幅回路１８では、低周波成分のピーク電圧Ｖp1と基準電圧発生回路２０ｂからの基準電圧Ｖ２とを比較し、その電圧差に応じた電圧信号を生成する。比較増幅回路１８からの電圧信号は、ＬＤドライバ電流源７に負帰還され、ピーク値検出回路１４から出力されたピーク電圧Ｖp1が基準電圧Ｖ２と等しくなるようにＬＤドライバ電流源７が制御される。

また、ＴＩＡ１１の出力電圧は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１５にも入力され、低周波成分がカットされる。例えば、図２（Ｂ）に示すように、ＢＲ／４以下の周波数成分を通さず、ＢＲ／２以上の成分を通過させるものが用いられる。ＨＰＦ１５を通過した高周波成分の電圧は、第２のピーク値検出回路１６に入力され、検出されたピーク電圧Ｖp2は、比較増幅回路１９に入力される。比較増幅回路１９では、高周波成分のピーク電圧Ｖp2と基準電圧発生回路２０ｂからの基準電圧Ｖ３とを比較し、その電圧差に応じた電圧信号を生成する。比較増幅回路１９からの電圧信号は、プリエンファシスドライバ電流源８に負帰還され、ピーク値検出回路１６から出力された電圧Ｖp2が基準電圧Ｖ３と等しくなるようにプリエンファシスドライバ電流源８が制御される。

ここで、プリエンファシスドライバについて説明する。伝送信号をＧｂｐｓ以上で高速伝送すると、高周波成分の信号波形がなまってくる。特に、信号の立ち上がり／立ち下り部分の波形がなまる。そこで、送信側で予め信号波形の立ち上がり／立ち下り部分をオーバーシュートさせて送るようにすると、受信側でちょうどよい波形にすることができる。このように送信側で伝送信号を送り出す前に、信号波形を強調して送ることをプリエンファシスという。

図３は、プリエンファシスされたドライバ電流と、ＬＤ１の変調電流について説明する図である。ＬＤ１を駆動する変調電流は、ＬＤドライバ回路２とプリエンファシスドライバ回路３からの入力信号により生成されが、それぞれの入力信号は、プリドライバ回路４からのパルス信号を増幅して生成される。

図３（Ａ）は、ＬＤドライバ回路２における電流（ＩＬＤＤ）の出力波形で、この出力波形に応じた信号がＬＤ１に付与される。図３（Ｂ）は、プリエンファシスドライバ回路３における電流（ＩＰＥ）の出力波形で、この出力波形に応じた信号がＬＤ１に付与される。プリエンファシスドライバ回路３における電流（ＩＰＥ）は、ＬＤドライバ回路２と同じプリドライバ回路４からのパルス信号を遅延時間τだけ遅延させる共に、パルス信号を反転して生成されたものである。

図３ＣはＬＤ１に流れる変調電流（Ｉｍ）を示し、図３（Ａ）のＬＤドライバ回路２の電流（ＩＬＤＤ）と、図３（Ｂ）のプリエンファシスドライバ回路３の電流（ＩＰＥ）と、により生成される。この変調電流（Ｉｍ）は、パルス状の電流信号の立ち上がり部分と立ち下り部分が強調されたものとなる。ＬＤ１側で、上記のように送信信号の立ち上がり／立ち下り部分を予め強調して送信することにより、受信側で受信した際に、受信信号の立ち上がり／立ち下り部分のなまりの度合いが軽減された状態で受信することができる。

図４は、上述のプリエンファシスによる周波数に対する利得の状態を示す図である。低周波成分の利得Ｓ１は、ＬＤドライバの電流とプリエンファシスドライバの電流の差（ＩＬＤＤ−ＩＰＥ）に比例したものとなる。そして、高周波成分の利得Ｓ２は、ＬＤドライバの電流（ＩＬＤＤ）に比例したものとなる。すなわち、低周波成分を抑制することで高周波成分を強調するということである。

次に、図５により、上述した変調電流の制御について説明する。図５の左側はＬＤの光出力波形の品質を示すアイパターン、右側がそのときに周波数特性を示している。ここで、図５（Ａ１）に示すように、ＬＤ１から送出される光出力の品質が良好な場合、受信側で検出されるアイパターンは、中央の開口が正常な形状の大きさで表示されるとする。そして、このときの周波数特性は、図５（Ａ２）に示すような形態で、低周波成分と高周波成分の光強度がバランスされているものとする。

図５（Ｂ１）は、ＬＤ１を含むＬＤ駆動制御系（ドライバア回路等）の帯域が不足（ドライバ出力強度が高周波側で低下）して、アイパターンの開口が閉じられて縮小されているとする。図５（Ｂ２）は、このときの周波数特性を示し、点線で示す正常時のものと比べて、低周波成分の光信号強度が増加され、高周波成分の光信号強度が低下している状態となっている。このとき、図１の構成でＬＤドライバ回路２の制御について見ると、ＰＤ１０によるモニタで、低周波成分のＬＤ１の光信号レベルは大きくなる。この結果、低周波成分のピーク値検出回路１４により検出されるピーク電圧Ｖp1は大きくなり、比較増幅回路１８により出力される電圧信号（Ｖp1−Ｖ２）が増加する。この電圧信号の負帰還制御により、ＬＤドライバ回路２の電流（ＩＬＤＤ）は減少される。

また、プリエンファシスドライバ回路３の制御について見ると、ＰＤ１０によるモニタで、高周波成分のＬＤ１の光信号レベルは小さくなる。この結果、高周波成分のピーク値検出回路１６により検出されるピーク電圧Ｖp2は小さくなり、比較増幅回路１９により出力される電圧信号（Ｖp2−Ｖ３）が減少する。この電圧信号の負帰還制御により、プリエンファシスドライバ回路３の電流（ＩＰＥ）は増加される。これにより、図４の低周波成分の利得Ａ１は減少され、高周波成分の利得Ａ２は増加し、ＬＤ駆動系の帯域が不足が補われる。

図５（Ｃ１）は、温度変動等によりプリエンファシスが過剰になり、アイパターンの開口が開きすぎているとする。図５（Ｃ２）は、このときの周波数特性を示し、点線で示す正常時のものと比べて、高周波成分の光信号強度が増加され、低周波成分の光信号強度が低下した状態となっている。このとき、ＬＤドライバ回路２の制御について見ると、ＰＤ１０によるモニタで、低周波成分のＬＤ１の光信号レベルは小さくなる。この結果、低周波成分のピーク値検出回路１４により検出されるピーク電圧Ｖp1は小さくなり、比較増幅回路１８により出力される電圧信号（Ｖp１−Ｖ３）が減少する。この電圧信号の負帰還制御によりＬＤドライバ回路２の電流（ＩＬＤＤ）は増加される。

また、プリエンファシスドライバ回路３の制御について見ると、ＰＤ１０によるモニタで、高周波成分のＬＤ１の光信号レベルは大きくなる。この結果、高周波成分のピーク値検出回路１６により検出されるピーク電圧Ｖp2は大きくなり、比較増幅回路１９により出力される電圧信号（Ｖp2−Ｖ３）が増加する。この電圧信号の負帰還制御によりプリエンファシスドライバ回路３の電流（ＩＰＥ）は減少される。これにより、図４の低周波利得Ｓ１は増大し、高周波利得Ｓ２は減少し、過剰なプリエンファシスが制御される。

上述のように、ＬＤ駆動制御系では、周波数特性について負帰還制御がかかり、低周波成分と高周波成分の光信号強度が、図５（Ａ１）（Ａ２）に示すようにバランスして最適になるように保たれる。なお、低周波成分と高周波成分の光信号に対する制御が干渉しないように、ＬＤドライバの制御ループとプリエンファシスドライバの制御ループの時定数が設定される。

本発明の光送信装置の概略を説明する図である。 ＬＰＦとＨＰＦの帯域を説明する図である。 プリエンファシスの出力波形を説明する図である。 プリエンファシスによる高周波成分の強調を説明する図である。 アイパターンと周波数特性の関係を説明する図である。

符号の説明

１…レーザダイオード（ＬＤ）、２…ＬＤドライバ回路、３…プリエンファシスドライバ回路、４…プリドライバ回路、５…遅延回路、６…バイアス電流源、７…ＬＤドライバ電流源、８…プリエンファシスドライバ電流源、９…プリドライバ電流源、１０…フォトダイオード（ＰＤ）、１１…トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）、１２…平均値検出回路、１３…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１５…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、１４，１６…ピーク値検出回路、１７，１８，１９…比較増幅回路、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…基準電圧発生回路。

Claims (2)

1. 光信号を出力するレーザダイオードと、該レーザダイオードの光出力をモニタするフォトダイオードを備え、該フォトダイオードのモニタ値により前記レーザダイオードのバイアス電流および変調電流を負帰還制御する光送信装置であって、
   前記バイアス電流は、前記モニタ値の平均値に基づく負帰還信号により制御され、前記変調電流は、個別に制御可能なレーザダイオードドライバ回路とプリエンファシスドライバ回路とにより生成され、
   前記レーザダイオードドライバ回路は前記モニタ値をローパスフィルタ（ＬＰＦ）と第１のピーク値検出回路により生成した第１の信号により、前記プリエンファシスドライバ回路は前記モニタ値をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）と第２のピーク値検出回路により生成した第２の信号により、それぞれ独立に負帰還制御されることを特徴とする光送信装置。
2. 前記ＬＰＦは、使用ビットレートの１／２を超える周波数成分をカットし、前記ＨＰＦは、使用ビットレートの１／２未満の周波数成分をカットすることを特徴とする請求項１に記載の光送信装置。

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