JPH01202878A - 半導体レーザの駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 半導体レーザ、特に、光伝送あるいは光通信システムの
送信系において光電変換手段として用いられる半導体レ
ーザを駆動する回路の構成に関し、比較的簡易構成で、
半導体レーザに対して波形・歪の無い安定した単一モー
ドの光出力を実現可能にすることを目的とし、 半導体レーザを駆動するのに供される第１の端子と、所
定電圧の供給を受ける第２の端子と、それぞれが１対の
トランジスタを有し、該１対のトランジスタは入力デー
タ信号に応答して交互にオンするよう差動的に接続され
、且つ、一方のトランジスタは前記第１および第２の端
子の間に介在されるよう接続されている複数の差動回路
とを具備し、該複数の差動回路におけるそれぞれの前記
一方のトランジスタに対し前記入力データ信号の印加タ
イミングをそれぞれ異にし、印加された入力データ信号
に応答してそれぞれのトランジスタに流れる電流の和を
前記半導体レーザに流すように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体レーザの駆動回路に関し、特に、光伝
送あるいは光通信システムの送信系において光電変換手
段として用いられる半導体レーザを駆動する回路の構成
に関する。

〔従来の技術〕

近年、高速かつ大容量の通信への要求が高まり、その手
段として光通信が広く用いられるようになっている。そ
の場合、光通信用の信号を送信する素子として一般に半
導体レーザダイオードが用いられるが、これを高速で動
作させるためには、高速でしかも大電流を駆動できる電
子回路が必要である。現在、シリコン（Ｓｉ）バイポー
ラトランジスタあるいはガリウム・砒素（ＧａＡｓ）の
金属・半導体型電界効果トランジスタ（Ｍｌ！ＳＦ［！
？）により該電子回路が構成されている。

第５図（ａ）および（ｂ）にはそれぞれ、半導体レーザ
の駆動回路の典型的な構成例が示される。図中、−点鎖
線で示される部分はレーザダイオードＬＤを有する半導
体レーザを等測的に表したものである。

第５図（ａ）において、トランジスタＱｌおよびＱ。

は差動回路を構成し、トランジスタＱ、のドレインは出
力端子０［ＪＴを介してレーザダイオードＬＤに接続さ
れ、トランジスタＱ！のドレインは接地（ＧＮＤ）され
ている、トランジスタロ、はそのゲートに印加されたデ
ータ信号りが“■”レベルの時にオンし、一方、トラン
ジスタＱ８はそのゲートに印加されたデータ信号百が“
Ｈ“レベルの時、すなわちデータ信号りが“Ｌ”レベル
の時にオンするようになっている。言い換えると、トラ
ンジスタＱ、およびｑｇはデータ信号りに応答して交互
にオンする。トランジスタＱ、およびＱ２のソースは、
共通に接続され、トランジスタＱ、を介して電源端子（
電圧Ｖｓｓ）に接続されている。トランジスタＱ、は、
ゲートに印加された制御電圧Ｖｐに応答し、レーザダイ
オードＬＤに流す電流１ｐ”を増減する機能を有してい
る。

第５図（ｂ）の構成は、（ａ）の回路からレーザダイオ
ードＬＤに流す電流１ｐ’　の調整機能を取り除き、構
成の簡素化を図ったものである。

いずれの回路構成にせよ、データ信号りが“■“レベル
の時にトランジスタＱ＋がオンし、レーザダイオードＬ
Ｄに電流ｔｐ”が流れ、該電流の量に応じた発光が行わ
れる。そしてデータ信号りが“Ｌ”レベルになると、ト
ランジスタＱｌがオフするのでレーザダイオードＬＤに
は電流が流れず、それ故、発光は停止する。このように
、トランジスタのオン・オフ動作に同期してレーザダイ
オードに電流が流れるか、あるいは流れないかに応じて
発光が行われる。つまり、レーザダイオードを駆動する
周波数に応じて発光が行われ、この場合、レーザダイオ
ードに流れる電流は単一の駆動系により制御されている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

通信の高速化によりビットレートが上り、例えば数Ｇ（
ギガ）ビット／秒のオーダーのような高速信号を取り扱
うようになると、前述の単一の駆動系（電子回路）のみ
では正常に動作しても、レーザダイオードの特性上の問
題、実装上の影響、例えばレーザダイオ−°ドの実装上
の配置関係に起因して生じる浮遊インダクタンスあるい
は浮遊キャパシタンスの影響、等から、正常な光出力波
形が得られない場合があり得る。

例えば−例として第６図に示すように、光出力波形にお
いてその立上り時にリンギングが生じ、また、急激な立
上りに起因してレーザダイオード内でキャリアが過大に
蓄積されることにより、完全な単一モードの光出力を実
現することができないという問題が生じる。この問題は
、駆動系の出力周波数が高くなるに従い一層顕著゛に現
れる。また、従来形の駆動系の回路構成によれば、それ
を回路内で補正するようなことは困難であった。つまり
、該駆動系を含む集積回路（ＩＣ）、すなわちチップ自
体に該歪波形を調整する機能が無かった。

それ故、従来形においては例えば、レーザダイオードと
駆動系の間にダンピング抵抗を入れたり、あるいは、上
述の―遊インダクタンスまたはキャパシタンスの影響を
受けないようにレーザダイオードの実装を工夫すること
が必要であった。しかしながら、このような調整作業は
煩雑であり、また、半導体レーザが置かれている周囲の
条件が変わるとその度に調整を行う必要があり、また効
果が無い場合もあるので、実際的ではない。

本発明は、上述した従来技術における課題に鑑み創作さ
れたもので、比較的簡易構成で、半導体レーザに対して
波形歪の無い安定した単一モードの光出力を実現可能に
した駆動回路を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上述した従来技術における課題は、半導体レーザに流す
べき電流を、単一の駆動系により制御するのではなく、
複数の駆動系を用いて多段的かつ連続的に制御すること
により、解決され得る。

従って、本発明による半導体レーザの駆動回路は、第１
図の原理ブロック図に示されるように、半導体レーザ５
を駆動するのに供される第１の端子１と、第２の端子２
と、複数の差動回路３１．３！１・・・・・・と、該複
数の差動回路のそれぞれに対応して前記第２の端子との
間に介在された複数の定電流源４１．４ｍ、・・・・・
・とを具備し、ここで該複数の差動回路はそれぞれミ１
対のトランジスタＴａｌ　、Ｔｂ＋　；Ｔａｇ＋Ｔｂ！
、・・・・・・を有し、該１対のトランジスタは入力デ
ータ信号り、、Ｄ、・・・・・・に応答して交互にオン
するよう差動的に接続され、且つ、一方のトランジスタ
Ｔａ＋＋Ｔａｚ＋・・・・・・は前記第１および第２の
端子の間に介在されるよう接続されている。

そして該複数の差動回路におけるそれぞれの前記一方の
トランジスタに対し前記入力データ信号の印加タイミン
グをそれぞれ異にし、印加された入力データ信号に応答
してそれぞれのトランジスタに流れる電流１１＋Ｉ！＋
　”・・・・の和を前記半導体レーザに流すようにして
いる。

〔作　用〕

説明の簡単化のため、定電流源を考慮しないで、差動回
路が２個の場合について説明する。

まず任意の時点でトランジスタＴａ、が入力データ信号
Ｄ＋に応答してオンすると、電流Ｉ、が半導体レーザ４
に流れる。しかしながら、この電流はレーザを駆動する
ための本来の電流（この場合にはＩ＋＋Ｉｇ）よりも小
さいので、該レーザは完全な発光状態には至っていない
、つまり、この電流りはレーザをプリチャージするのに
寄与し、また、電流値もそれほど大きくμいので、レー
ザ内でキャリアが過大に蓄積されるという不都合を解消
することにも寄与する。

次いで入力データ信号口２がトランジスタＴａｇに入力
されると、該トランジスタはオンし、電流Ｉ！が半導体
レーザ４に流れる。これによって該レー′　　ザには■
、＋１．の電流が流れ、該レーザは発光状態に至る。つ
まり、半導体レーザに流す電流を段階的かつ連続的に制
御することにより、該電流の波形を調整している。これ
によって、波形歪の無い安定した単一モードの発光が可
能となる。

なお、本発明の他の構成上の特徴およ、び作用の詳細に
ついては、添付図面を参照しつつ以下に記述する実施例
を用いて説明する。

〔実施例〕

第２図には本発明の一実施例としての半導体レーザの駆
動回路の回路構成が示される。

第２図において、−点鎖線で示される部分はレーザダイ
オードＬＤを有する半導体レーザを等測的に表したもの
であり、本実施例では該半導体レーザとしてＩｎＧａＡ
ｓＰ系のレーザダイオードを用いている。このレーザダ
イオードＬＤを駆動する回路は、チップ内の半ｗＡ縁性
基板（ＧａＡｓ）上に集積化された複数のｌ’ｌＩ！Ｓ
ＦＩ！Ｔから構成されている。

１１は半導体レーザ（レーザダイオードＬＤ）を駆動す
るのに供されるチップの出力（ＯＵＴ）端子、１２は所
定電圧Ｖｓｓ　（本実施例ではＥＣＬレベルで作動させ
るために約−５，２ｖに設定）の供給を受ける電源端子
、１３はチップの接地−（ＧＮＤ）端子、１４．１５は
それぞれデータ信号Ｄ＋、Ｄｔを入力するための端子、
１４’　、　１５°はそれぞれ該信号り、、Ｄｔの反転
信号酊、■を入力するための端子、１６．１７はそれぞ
れ電流制御電圧ＶＰ、Ｖｌ）ｚを入力するための端子、
１８はバイアス電流制御電圧Ｖ、を入力するための端子
、をそれぞれ示す。なお、データ信号Ｄｉ　Ｉｈについ
ては、端子１４．１５から入力されるデータ信号ＤＩ、
Ｄ、をチップ内部で反転させて得ることもでき、また、
Ｄｌ＋Ｄ！のそれぞれの“Ｈ”レベル、＠Ｌ”レベルの
中間の電位Ｖ、。ｆｌ＋ｖｒ１１ｆｌを与えておいても
よいので、端子１４’　、　１５”については必ずしも
チップ外に端子として出ている必要はない。

トランジスタＱａ＋およびＱｂ、は差動回路を構成し、
トランジスタＱａ＋　のゲートは端子１４に接続され、
そのドレインは出力（ＯＵＴ）端子１１に接続されてい
る。また、トランジスタＱｂｌのゲートは端子１４゛　
に接続され、ドレインはダイオードＳＤ　（順方向電圧
降下は約０．７Ｖ）を逆方向に介して接地（ＧＮＤ）端
子１３に接続されている。トランジスタＱａ、は入力デ
ータ信号り、が“Ｈ”レベルの時にオンし、一方、トラ
ンジスタＱｂｌ　は入力データ信号酊が“Ｈ”レベルの
時、すなわち入力データ信号Ｄ１が“Ｌ”レベルの時に
オンするようになっている。言い換えると、トランジス
タＱａ、およびＱｂ＋　は入力データ信号り。

に応答して交互にオンする。

トランジスタＱａ、およびＱｂ、のソースは、共通に接
続され、トランジスタＱ、を介し、さらにレベルシフト
用のダイオード群５ＤＩ（本実施例では２個のダイオー
ドで、電圧降下は約１．４Ｖ）を順方向に介して電源端
子Ｉ２に接続されている。トランジスタ０．のゲートは
端子１６に接続されており、該トランジスタは、レーザ
ダイオードＬＤに流す電流の一部ＩＰ＋を該端子１６か
らの制御電圧ＶＰ＋に応答して増減する機能を有してい
る。

同様に、トランジスタＱａ２およびＱｂ！は差動回路を
構成し、トランジスタＱａｌのゲートは端子１５に、ド
レインは出力端子１１に接続されている。また、トラン
ジスタＱｂ、のゲートは端子１５”に、ドレインはダイ
オードＳＤを逆方向に介して接地端子１３に接続されて
いる。トランジスタＱａ、は入力データ信号口、が＠Ｈ
”レベルの時にオンし、一方、トランジスタＱｂ、は入
力データ信号■が“Ｈ”レベルの時、すなわち入力デー
タ信号Ｄ□が“Ｌ”レベルの時にオンするようになって
いる。言い換えると、トランジスタＱａ、およびＱｂ、
は入力データ信号ＯＸに応答して交互にオンする。トラ
ンジスタＱａ２およびＱｂ意のソースは、共通に接続さ
れ、トランジスタロ２を介し、さらにダイオード群ＳＯ
□（ＳＤ＋と同様で、電圧降下は約１．４Ｖ）を順方向
に介して電源端子１２に接続されている。トランジスタ
Ｑ２のゲートは端子１７に接続され１おり、該トランジ
スタは、レーザダイオードＬＤに流す電流の一部Ｉｐ、
を該端子１７からの制御電圧Ｖｐｔに応答して増減する
機能を有している。

さらに、出力端子１１と電源端子１２との間にはトラン
ジスタＱ、と、順方向に接続されたダイオード群ＳＤｏ
　（ＳＤ、と同様で、電圧降下は約１，４Ｖ）とが直列
に介在されている。トランジスタＱ、のゲートは端子１
８に接続されており、該トランジスタは、レーザダイオ
ードＬＤに流すバイアス電流Ｉｍを該端子１８からの制
御電圧Ｖ、に応答して増減する機能を有している。

本実施例の駆動回路においては、各差動回路においてそ
れぞれ出力端子１１に接続されるトランジスタ、すなわ
ちトランジスタ１４．１５に対し入力データ信号Ｄ＋、
Ｄｔの印加形態、つまりタイミングが異なるように構成
されている。そして最終的に、印加された入力データ信
号り、Ｄｚに応答してそれぞれのトランジスタ１４．１
５に流れる電流１ｐ＋　、１１）ｚの和とバイアス電流
１１との和がレーザダイオードＬＤに流れるようになっ
ている。この場合、各トランジスタ１４．１５に流れる
電流１ｐ＋、Ｉρ２の大きさは、それぞれ制御電圧ｖＰ
＋＋Ｖ９ｇの大きさを調整することにより独立に加減で
きる。

次に、第２図に示される駆動回路の動作について第３図
の波形図を参照しながら説明する。

第３図の例示は、入力データ信号り、に対して入力デー
タ信号り、の立上りのタイミングを早めた場合を示す、
なお、本実施例ではバイアス電流■。

を約２０ｍＡ、トランジスタ１４がオンした時に流れる
電流１ｐ＋のピーク値を約３２＋ｓＡ、トランジスタ１
５がオンした時に流れる電流１９ｇのピーク値を約１８
ｍＡに設定した。つまり、入力データ信号が印加される
前に、レーザダイオードＬＤには予め約２Ｏｎ＋Ａのバ
イアス電流１．が流れている。

まず、入力データ信号０：を“Ｈ”レベルにしてトラン
ジスタ１５をオンさせ、レーザダイオードＬＤに電流Ｉ
ｐｚ（約１８ｍＡ）を流す。この電流は、レーザダイオ
ードに主駆動電流（この場合にはバイアス電流＋５０ｓ
＾）を流して発光させる前に、該レーザダイオードをプ
リチャージするためのものである。

次いで、入力データ信号り、を“Ｈ”レベルにしてトラ
ンジスタ１４をオンさせ、レーザダイオードＬＤに更に
電流１１）＋　（約３２ｍＡ）を流す。これによってレ
ーザダイオードＬＤに本来の駆動電流（バイアス電流＋
　５０＋＋Ａ）が流れ、該レーザは単一モードで発光す
る。

このように、レーザダイオードに本来の駆動電流を一気
に流すのではなく、段階的かつ連続的に電流を増大する
ことにより、レーザダイオード内でキャリアが過大に蓄
積されるという不都合を解消することができる。それに
よって、波形歪の無い安定した単一モードの発光を実現
することが可能となる。

上述した実施例では入力データ信号ＤＩに対して入力デ
ータ信号０．の立上りのタイミングを早めた場合につい
て説明したが、それに限らず、種々のタイミングでデー
タ信号を印加してもよい。

第４図（ａ）〜（ｃ）にはそれぞれ、各データ信号の印
加タイミングおよびそれに対応する出力電流の波形が模
式的に示される。ここで、第４図（ａ）は前述の第３図
の波形図に対応するので、その説明は省略する。

第４図（ｂ）の例示は、入力データ信号０．に対して入
力データ信号Ｄ２の立下りのタイミングを早めた場合を
示す。このような印加形態は、１．　＋　Ｉｐ。

＋　Ｉｐｔの電流でレーザダイオードを極力早く発光状
態に至らせ、しかる後にｔ、、−ｔ−Ｉｐ、の安定した
光出力を得たい場合に有効である。

第４図（ｃ）の例示は、入力データ信号Ｄ１に対して入
力データ信号り、の立上りおよび立下りのタイミングを
共に遅延させた場合を示す、このような印加形態は、第
４図（ａ）および（ｂ）の場合における双方の利点を得
たい場合に有効である。

なお、上述した実施例では印加するデータ信号が２種類
の場合について説明したが、これは、本発明の要旨から
も明らかなように２種類に限定されず、複数種類であれ
ば何種類でもよい、ただしこの場合でも、各入力データ
信号の印加タイミングをそれぞれ異にして対応のトラン
ジスタに印加することはもちろんであり、また、入力デ
ータ信号の数に応じた差動回路を必要とすることももち
ろんである。このような条件を有して入力データ信号の
種類（数）を増やすことにより、上述した効果に加え、
更に一層きめの細かい、安定したレーザ駆動が可能とな
る。

また、上述した実施例では駆動回路を構成するトランジ
スタとしてＧａＡｓ　ＭＨ５ＦＥＴを用いた場合につい
て説明したが、これは、Ｓｉバイポーラトランジスタや
ヘテロバイポーラトランジスタで置き換えてもよく、そ
の場合でも同様の効果が期待されることは明らかであろ
う。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、半導体レーザに流
すべき電流を複数の駆動系を用いて多段的かつ連続的に
制御することにより、比較的簡易構成でありながら、半
導体レーザに対して波形歪の無い安定した単一モードの
光出力を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体レーザの駆動回路の原理ブ
ロック、 第２図は本発明の一実施例としての半導体レーザの駆動
回路を示す回路図、 第３図は第２図の駆動回路の動作を説明するための波形
図、 第４図（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、第２図の駆動回路に
おける各データ信号の印加タイミングおよびそれに対応
する出力電流の波形を模式的に示した波形図、 ・第５図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ半導体レーザの
駆動回路の典型的な構成例を示す図、第６図は第５図の
回路による動作波形図、である。 （符号の説明） ｌ・・・第１の端子（出力端子）、 ２・・・第２の端子（電源端子）、 ３１．３□、・・・、・・・差動回路、４、＋４ｔ＋・
・・、・・・定電流源、５・・・半導体レーザ、 Ｔａ１４ｂ＋＋Ｔａ＊４ｂｚ＋　””＊　””　）ラン
ジスタ、Ｄ　’＋’ｌ＋Ｄｆｆｉ＋Ｄｚ、　Ｌｊ＋、　
＊’１ｍ入カデータ信号、１１＋１！＋・・・、・・・
電流。 第２図 第２図の駆動回路の動作を説明するだめの波形図第３図 （ａ） 半導体レーザの駆動回路の典型的な構成例を示す図第５
図 第５図の回路による動作波形図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体レーザ（５）を駆動するのに供される第１の端子
   （１）と、 第２の端子（２）と、 それぞれが１対のトランジスタ（Ｔａ＿１、Ｔｂ＿１、
   ；Ｔａ＿２、Ｔｂ＿２；……）を有し、該１対のトラン
   ジスタは入力データ信号（Ｄ＿１、Ｄ＿２、……）に応
   答して交互にオンするよう差動的に接続され、且つ、一
   方のトランジスタ（Ｔａ＿１、Ｔａ＿２、……）は前記
   第１および第２の端子の間に介在されるよう接続されて
   いる複数の差動回路（３＿１、３＿２、……）と、 該複数の差動回路のそれぞれに対応して前記第２の端子
   との間に介在された複数の定電流源（４＿１、４＿２、
   ……）とを具備し、 該複数の差動回路におけるそれぞれの前記一方のトラン
   ジスタに対し前記入力データ信号の印加タイミングをそ
   れぞれ異にし、印加された入力データ信号に応答してそ
   れぞれのトランジスタに流れる電流（Ｉ＿１、Ｉ＿２、
   ……）の和を前記半導体レーザに流すようにしたことを
   特徴とする半導体レーザの駆動回路。