JPH05504025A - レーザダイオード制御回路 - 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】 一部 この発明は、レーザダイオードの制御回路、及びレーザダイオードの制御方法に 関する。

良く知られているように、例えば光伝送システムの光源として使用されるレーザ ダイオードの特性曲線（電流に対する光出力側）は、一般的にレーザダイオード の動作に要求される領域であるほぼリニア領域の下部に、非直線性の折曲り部、 すなわち膝部を有している。従って、通常は、レーザダイオードがその折曲り部 の上部のリニア領域で動作するようにバイアス電流をレーザダイオードに供給す る。バイアス電流が不十分であれば、レーザダイオードは非直線性で動作し、そ して、バイアス電流が過剰であれば、レーザダイオードは電力を浪費する。

レーザダイオードで問題となる点は、エージングや温度変化によって、レーザダ イオードの特性曲線、特に、折曲り部の位置（最適なバイアス３珀及び折曲り部 の上部のリニア領域のスロープが時間とともに変化することである。従って、レ ーザダイオードに対しては、少なくともバイアス電流の設定においては、適応型 制御回路が要求されるということが知られている。例えば、トリメルによる１９ ８３年５月２４日発行の米国特許４．３８５．３８７号、発明の名称「レーザダ イオードのプリコンダクション電流制御」において、バイアス電流が正弦波成分 を含むように正弦波パイロット信号が挿入され、帰還ループを介してバイアス電 流（プリコンダクション電流と呼ばれる）が制御される構成について説明されて いる。その帰還ループにおいて、レーザダイオード出力中の正弦波信号成分の一 部は、正弦波の選択された時間間隔の間に検出されて、その検出出力が整流され 、バイアス電流を制御するために閾値と比較される。

そのような良く知られた構成は、適応的な制御レベルを提供するが、それは比較 的に複雑であり、レーザダイオードの特性曲線の変化に対して十分な補償ができ ない。特に、特性曲線のリニア領域のスロープの変化に対して十分な補償ができ ない。

従って、この発明の目的は改良されたレーザダイオードの制御回路を提供するこ とにある。

この発明の一つは、レーザダイオードの制御回路を提供することにあり、これは 、アンプを含みレーザダイオードのバイアス電流を制御する第１の制御手段と、 アンプの一人力にパイロット信号を供給する手段と、このアンプの出力のパイロ ット信号レベルに応じてレーザダイオードの変調電流を制御する第２の制御手段 とから構成される。

このように、この制御回路は、２つの内部接続制御ループを含み、その制御ルー プはレーザのバイアス電流と変調電流をそれぞれ制御する。上記パイロット信号 はバイアス電流を制御するため制御ループ内で増幅されるので、レーザダイオー ドの所定の平均電力を出力するアンプでの出力パイロット信号のレベルは、その レーザダイオードの特性曲線のリニア領域のスロープを表わす。この発明によれ ば、このパイロット信号のレベルは、レーザダイオードの変調電流を制御する上 記第２の制御ループの中で用いられる。このように、この２つの制御ループは、 制御ループが、エージングや温度変化等による特性曲線の変化を補償するために 、適応的に維持されることによって、レーザダイオードが特性曲線のリニア領域 の所定の部分で動作するように相互に作用する。

第２の制御手段は、基準電圧と比較の結果、上記アンプの出力でのパイロット信 号レベルを表わす出力電圧を発生するためにパイロット信号を検出する手段がら 構成される。このパイロット信号は、便宜的にはパイロット・トーンがら構成さ れ、パイロット信号を検出する手段は、同期検出器及び／又はローパスフィルタ から構成される。

この発明の実施例においては、比較的高い減衰率を有し、特性曲線のほぼ折曲り 部でのバイアス電流によって動作するレーザダイオードの動作に対して、上記第 ２の制御手段は、好ましくは、更に、出力電圧を基準電圧と比較する手段と、そ の比較結果に応じて変調電流を制御する手段を含む。

またこの発明の実施例において、比較的低い減衰率を有し、特性曲線の折曲り部 のかなり上方でのバイアス電流によって動作するレーザダイオードの動作に対し て、上記第２の制御手段は、好ましくは、更に、出力電圧を増幅する手段と、増 幅された出力電圧に応じて変調電流を制御する手段と、上記出力電圧と基準電圧 とに応じて電圧を発生する手段とを含む。この電圧に応答して、変調電流を制御 する手段は更に所定の動作領域でレーザダイオードの動作を確立するように動作 する。

この発明の他の態様によれば、この発明はレーザダイオードを制御する方法を提 供することにあり、この制御方法は、レーザダイオードの出力を検出し、前記の 検出された出力を前記パイロット信号と組み合わせ、その組み合わされた信号を 増幅し、増幅されたレベルをパイロット信号成分として有する増幅された信号を 発生し、前記の増幅された信号に従って前記レーザダイオードのバイアス電流を 制御し、前記の増幅された信号中の前記パイロット信号の増幅レベルに従ってレ ーザダイオードの変調電流を制御する。

この変調電流を制御するステップは、好ましくは、増幅信号の中のパイロット信 号のレベルを検出して、その検出されたパイロット信号のレベルを基準レベルと 比較するように構成される。

この発明は、以下の添付図面を引用した以下の説明により、更によく理解される であろう。

図１は、この発明の実施例のレーザ制御回路のブロック図を示す。

図２ａと図２ｂは、図１のレーザ制御回路の動作図を示す。

図３は、図１のレーザ制御回路の一実施例の回路図を示す。

図４は、図１と図３のレーザ制御回路の好ましい動作を示す図である。

図５は、図３の回路図の一部分の変形例を示す。

図６は、図４に示す変形例のレーザ制御回路の動作図を示す。

図１は、レーザダイオードモジュール１０用の制御回路のブロック図を示す。

そのモジュールはレーザーダイオードを含み、そのレーザーダイオードは、線１ ２を経て供給されるデータに従って変調され変調光信号を発生し、光伝送路（図 示せｎを介してデータを伝送する。レーザダイオードモジュール１０は、制御回 路の制御電流源１４．１６によってそれぞれ定められる電流ＩｂとＩｍとを流す 。電流Ｉｂは、レーザダイオードがその特性曲線の折曲り部の上部のほぼリニア 領域で動作するためにバイアスするバイアス電流である。電流Ｉｍは、レーザダ イオードを介して流れ、又はデータに従属しないで流れる変調電流であり、それ によって、レーザダイオードによって発生された光信号を変調する。

制御電流デバイス１４．１６に加えて、制御回路はレーザダイオードで発生され た光信号のバツクファセット成分を検出するためのピンダイオード検出器１８、 パイロット・トーン発生器２０、パイロット・トーン検出器２２、及び差動アン プ２４．２６を含む。

検出器１８、アンプ２４及び制御電流源１４は、第１の帰還ループを形成し、そ の第１の帰還ループはレーザダイオードの平均電力を安定化するためにレーザダ イオードのバイアス電流Ｉｂを制御する。この目的のために、検出器１８の出力 はアンプ２４で増幅され、そのアンプ出力は電流源１４を制御するために用いら れ、それにより電流ｒｂを制御する。パイロット・トーン発生器２０と、パイロ ット・トーン検出器２２、アンプ２６及び制御電流源１６は、レーザダイオード 変調電流Ｉｍを制御する第２の帰還ループを形成する。この目的のために、パイ ロット・トーン発生器２０の出力はアンプ２４において検出器１８の出力から差 引かれ、パイロット・トーン検出器２２はアンプ２４の出力に存在するパイロッ ト・トーンのレベルを検出し、アンプ２６は比較器として動作し、そのパイロッ ト・トーンの検出レベルを基準電圧Ｖｒｅｆと比較して、電流源１６を制御する 。

パイロット・トーン検出器２２は、同期検出器を用いることが好ましく、従って 、パイロット・トーン発生器２０から線２８を介してパイロット・トーンが供給 される。

この制御回路の動作は、図２ａと図２ｂを参照して以下に説明する。この図は、 レーザダイオードの電流に対してプロットされるレーザダイオードの出力電力、 及び同時に変調された光出力信号の特性曲線を示す。その出力信号は、光伝送路 に伝送されるばかりでなく検出器１８によっても検出される。この特性曲線は、 閾値又は折曲り部４２の上部にほぼリニアな領域４０を有する。変調された光出 力信号は、パイロット・トーン信号の正弦波変化を表わす信号包絡線４４と、変 調データのビットレートで発生する高速データ遷移部４６を有する。レーザダイ オード電流は、バイナリＯのデータビットに対してはＩｂであり、またバイナリ １のデータビットに対してはＩｂ＋１ｍである。

図２ａと図２ｂとは、それぞれ、レーザダイオードがらの平均出力電力Ａｐは同 じであるが、バイアス電流Ｉｂが特性曲線の折曲り部４２の上又は下にある場合 の動作図を示す。その平均電力Ａｐは、レーザダイオードの出力電力の平均値を 示し、バイナリ０とバイナリ１のデータビットに対応してそれぞれ電流ＩｂとＩ ｂ＋１ｍをを流す。図２ａと図２ｂとは、それぞれ基準電圧Ｖｒｅｆが高いレベ ル又は低いレベルの動作と対応する。

図２ａにおいて、平均電力レベルＡｐを供給するために、比較的高いバイアス電 流１ｂと比較的低い変調電流Ｉｍとを有している。レーザダイオードはリニア領 域４ｏの中で動作するので、パイロット・トーンの正弦波信号包絡線はデータの バイナリ１とバイナリ０の両者に対してレーザ出力中に現れる。レーザダイオー ドの効率（リニア領域４０のスロープとして示される）とアンプ２４の利得に応 じて、あるレベルのパイロット・トーンがアンプ２４の出力に発生され、このパ イロット・トーンは変調電流Ｉｍを決定するために検出器２２によって検出され る。

図２ｂにおいて、同じ平均電力レベルＡｐを提供するために、比較的低いバイア ス電流Ｉｂと比較的高い変調電流Ｉｍとを有している。レーザダイオードはデー タのバイナリ１に対してはリニア領域４０中で動作し、データのバイナリ０に対 しては折曲り部４２の下方で動作するので、図２ｂに示すように、パイロット・ トーンの正弦波信号包絡線はバイナリ０に対する変調信号出力中では大きく減少 する。従って、アンプ２４の出力でより大きなレベルのパイロット・トーンが発 生され、それが検出器２２によって検出され、より高い変調電流１ｍが決定され る。

基準電圧Ｖｒｅｆのレベルは、所定の平均電力Ａｐに対して、変調電流１ｍの値 を定め、それによって折曲り部４２に関連するデータ０のレベル（バイアス電流 Ｉｂ）の位置を定める。例えば、もしレーザ効率が減少するならば、特性曲線の ほぼリニアな領域４０のスロープは緩やかになるので、回路はパイロット・トー ンに対し一定の変調深さを維持するために変調電流Ｉｍを増加させる。一方、も しＩｍを増加するためＶ　ｒｅｆが増加するならば、構成要素１８．２４及び１ ４から構成される制御ループは同じ平均電力Ａｐを維持するためＩｂを減少する 。このように、基準電圧Ｖｒｅｆのレベルは、折曲り部４２に関して正確にバイ アス電流Ｉｂを位置決めする。例えば、レーザダイオードの最大ピーク電力のた め最大の平均電力Ａｐを供給するために正確にその折曲り部４２の点が位置決め される。

図３は、図１のより詳細な制御回路を示し、図１と同一の符号は同一の要素を示 している。図３において、レーザダイオードモジュール１０は、レーザダイオー ド５０を含み、このレーザダイオード５０は２つの差動的に接続されたＦＥＴ（ 電界効果トランジスタ）５２．５４の制御バスに接続され、これらのＦＥＴは線 １２上のデータ信号によって差動的に駆動される。更に、ＦＥＴ５６は、現在導 通しているＦＥＴ５２．５４のどちらか一方を通過する変調電流Ｉｍを制御する 。更に、ＦＥＴ５８は、レーザダイオード５０を連続的に流れるバイアス電流Ｉ ｂを制御する。制御電流源１４は、その細部と配線は図３に示されるように、５ ｍＡ／Ｖの電圧・電流変換回路で構成され、制御電流源は、図３のブロックで簡 単に示すように同様な変換回路（Ｖ−Ｉ変換回路）によって構成される。

°　上記検出器１８はピンダイオード６０とインピーダンス変換アンプ６４から 構成され、このピンダイオード６０は、矢印６２に示すようにレーザダイオード ５０からのバツクファセット光を受けるために配置される。差動アンプ２４は、 負帰還パスの中にコンデンサ６６を設けることによりループフィルターとしての 機能を有する。また差動アンプ２４は、パイロット・トーン発生器２０によって 構成される発振器から周波数５ｋＨｚの０．ＩＶｐｐ（ピーク・ピーク間）の振 幅信号が供給され、それにより、５％以下の非常に小さい変調深さを提供する。

パイロット・トーン検出器２２は、同期検出器６８と次段のローパスフィルタ７ ０から構成される。この同期検出器６８は、線２８を介してより高い振幅を有す る０゜５Ｖｐ％’）パイロット・トーンと、アンプ２４の出力が供給される。こ の同期検出器６８は、ＮＥ６０２型集積回路で構成してもよい。アンプ２６は、 このローパスフィルタ７０の出力と、上記で述べたようにマニュアルで設定され る規準電圧Ｖｒｅｆとが供給され、負帰還パスに積分コンデンサ７２を含んでい る。

図３の制御回路において、インピーダンス変換アンプ６４のゲインは、レーザー ダイオードの所定の平均出力電力をセットするために、アンプ６４の負帰還路の 可変抵抗７４の抵抗値を調整することによって変化される。例、ｔＪｆ１ｍ４に 例示されるように、基準電圧Ｖ　ｒｅｆは、バイアス電流Ｉｂの動作点を特性曲 線の折曲り部４２に置いて、所定の出力電力包絡線を供給するようにに設定され る。図４はバイナリ０のデータビットに対するパイロット・トーン包絡線４４の 形が異なる点を除いては、図２ａや図２ｂと同じである。

上述の制御回路は、特に２００Ｍｂ／ｓオーダー以上のデータビットレート又は 比較的高い減衰率（例えば、バイナリ１とバイナリ０のデータビットに対する出 力電力比）で動作するレーザダイオードに対しては好都合である。比較的低い減 衰率の動作に対しては、約１５５０ｎｍの光信号波長に対しては光ファイバが分 散的であるので、レーザダイオード”チャープ（Ｃｈｉｒｐ）”、すなわち波長 変化、が減少するようにすることが必要又は好ましいので、図５と図６で以下に 説明するような制御回路の変形形式が採用される。

この変形形式の制御回路においては、図３の回路の積分アンプ２６は、図５で示 すように、可変抵抗７６で設定される可変ゲインを有する非積分アンプ回路２６ °及び、差動アンプ８０．ダイオード８２及びコンデンサ８４とから構成される 初期化すなわち非ラツチアンプ回路７８で置き換えられる。上記ローパスフィル タ７０の出力は、回路２６”中の差動アンプ８６の非反転入力に印加され、かつ アンプ８０の反転入力にも印加される。そのアンプ８０の非反転入力には基準電 圧Ｖｒｅｆが供給される。電圧／電流変換器１６の入力は、アンプ８６の出力が 印加され、更に、電圧／電流変換器１６の入力は、ダイオード８２を介してアン プ８０の出力に結合され、またコンデンサ８４を介して接地される。この制御回 路の残りの回路は、図３に示す回路と同じである。

この変形形式の制御回路においては、図６に示すように、上記と同様に平均電力 Ａｐと変調電流Ｉｍとを有し、この変調電流１ｍは、所定の減衰率を供給するた めに可変抵抗７６によって設定される。図６さらに、図２ａ、図２ｂ及び図４に おいては、パイロット・トーン信号包絡線は、明確にするため大きく誇張して示 されている。例えば、変調深さは上述の通り５％以下であり、典型的には約２％ である。図６で示すように通常の動作では、回路７８は機能しない。その理由は 、アンプ８ｏの出力がダイオード８２を逆方向にバイアスしているからである。

しかしながら、初期化又は異常な動作条件の場合には、回路７８は、図６に示す ように特性曲線のリニア領域４０上で動作し又は維持する必要がある。

この発明の特有の実施例は、上述した通りであるが、この請求項に記載したこの 発明の請求の範囲内で他の多くの変形、変更、改良が可能である。例えば、検出 器１８は、パックファセット成分よりもむしろレーザダイオードによって伝送さ れる光線の一部分を検出するようにアレンジできる。この発明はまた、レーザダ イオードのバイナリ変調以外の他の変調にも応用できる。例えば、上述したバイ ナリ０のレベルに対応して共通に生じる最小変調レベルがある限り、３進法又は アナログ変調の構成にも適用できる。

ｉ） 補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成４年７月２７日

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．入出力部を有するアンプを含み、レーザダイオードのバイアス電流を制御す る第１の制御手段と、 前記アンプの入力部にパイロット信号を供給する手段と、前記アンプの出力部に 接続され、前記アンプの出力部での前記パイロット信号の増幅されたレベルに応 じて、前記レーザダイオードの変調電流を制御する第２の制御手段と、 を含むことを特徴とするレーザダイオード制御回路。
2. ２．請求項１において、前記第２の制御手段は、前記パイロット信号の増幅され たレベルを検出し、さらに、基準電圧と比較することによって前記パイロット信 号の増幅されたレベルを示す出力電圧を発生する検出手段を含むことを特徴とす るレーザダイオード制御回路。
3. ３．請求項２において、前記パイロット信号はパイロット・トーンから成り、前 記パイロット信号を検出する前記検出手段は同期検出器を含むことを特徴とする レーザダイオード制御回路。
4. ４．請求項２において、前記パイロット信号を検出する前記検出手段はローパス フィルタを含むことを特徴とするレーザダイオード制御回路。
5. ５．請求項２において、前記第２の制御手段は、さらに、制御電圧を発生するた めに前記検出手段からの出力電圧を基準電圧と比較する手段と、前記制御電圧に 応じて変調電流を制御する手段とを含むことを特徴とするレーザダイオード制御 回路。
6. ６．請求項２において、前記第２の制御手段は、さらに、制御電圧を供給するた めに前記出力電圧を増幅する手段と、前記制御電圧に応じて前記変調電流を制御 する手段とを含むことを特徴とするレーザダイオード制御回路。
7. ７．請求項６において、前記第２制御手段は、さらに、前記出力電圧及び基準電 圧に応答する手段を含み、その制御手段は前記変調電流を制御する手段へ制御電 圧を発生し供給することを特徴とするレーザダイオード制御回路。
8. ８．レーザダイオードの出力を検出し、パイロット信号を供給し、 前記の検出された出力を前記パイロット信号と結合し、その結合された信号を増 幅し、増幅されたレベルをパイロット信号成分として有する増幅された信号を発 生し、 前記の増幅された信号に従って前記レーザダイオードのバイアス電流を制御し、 前記の増幅された信号中の前記パイロット信号の増幅レベルに従ってレーザダイ オードの変調電流を制御する、 ことを特徴とするレーザダイオードを制御する方法。
9. ９．請求項８において、前記の変調電流を制御するステップは、増幅された信号 の中のパイロット信号の増幅レベルを検出し、前記の検出されたパイロット信号 レベルを基準レベルと比較することを特徴とするレーザダイオードを制御する方 法。