JPS5991746A - レ−ザ送信機とその動作方法 - 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】 本発明はレーザ送信機及びその動作方法に係る。

光波通信に用いられる標準的なレーザ送信機において、
レーザは帰還制御回路により調整されたｄｃ　　バイア
ス電流及び入力データ信号に基いた変調電流の組合せに
より、駆動される。（米国特許第４．０Ｃ１９，３８５
号を参照のこと）通常の動作において、ｄＣバイアス電
流はレーザをそのレージ閾値以下に保つ。データ入力に
対応するパルスが現れた時、レーザがターンオビするよ
うｄＣ、バイアスに変調電流が加えられる。レーザは通
常オフてなっているため、パワーの消費は最小状態にあ
る。

しかし、高いビットレートでは、標準的な駆動回路で、
良好な形状の光パルスを得るには問題が生じる。たとえ
ば、シリコンバイポーラトランジスタが高いビットレー
ト（すなわち典型的な場合、９０メガビット／秒又はそ
れ以上）においてサブナノセカンドの立上り時間でスイ
ッチオンさ、れる時、それを貫いて伝達される電流は、
変調パルスの最初の部分で所望の定常状態をオーバーシ
ョートする。

このオーバーシュートは得られるレーザーパルスに再現
される。更に、電流の立上り及び立下り時間にも非対称
性があり、それもまたレーザーパルスに再生される。

本発明の一視点に従うと、レーザ送信機はレーザを通し
てレーザの閾値レベル以上の電流を流すのに十分なｄＣ
バイアス電流を供給する回路手段及びデータ入力に対応
する変調電流を供給するためにデータ入力信号に応答す
る回路を含み、それにより変調電流がｄＣバイアス電流
から引かれ、変調電流中にパルスが現れると、レーザを
貫く電流をそのレーザ閾値レベル以下に下る。

本発明の一視点に従うと、データ入力信号に応答して光
パルスを生成するようレーザ送信機を動作させる方法が
明らかにされ、その方法はレーザの閾値を越える値を有
するｄｃバイアス電流をレーザに供給すること、データ
入力に対応して変調電流を供給することを含み、それに
より変調電流がバイアス電流から引かれ、得られるレー
ザを通る電流は、変調電流中にパルスが現れる時はいつ
でも閾値以下になる。

本発明について添付した図面を参照して、例をあげて述
べる。

説明のため、これらの図は必ずしも実際の比率どうりに
は描かれていない。

第１図を参照すると、レーザ閾値ＩＴＨ以下の電流にお
いて、光出力はきわめて小さく、レーザはその非レーザ
、オフ状態にある。閾値以上の電流において、光出力の
鋭い増加が観測され、レーザはターンオンされる。従来
技術のシステムにおいて、ｄＣバイアスはレーザを閾値
直下の点に保ち、データ信号に対応する変調信号がｄＣ
バイアスに重畳される。

従って、レーザはデータ信号中にゝ１　〃に対応するパ
ルスがレーザを閾値以上にするため印加されるまで、そ
のオフ状態に保たれる。

本発明の一実施例において、ｄｃ　　バイアスをレーザ
閾値以上に供給することから、著しい利点が生じること
を見出した。変調電流はｄｃバイアス電流から引かれ、
それによりレーザは１１　“に対応するパルスが現れる
時はいつでも、ターンオフする。そうでなければレーザ
は“オン“のままである。

そのようなモードでレーザを駆動するための回路が、第
２図に示されている。回路には標準的な電圧調整器（図
示されていない）により供給される正端子１２及び負端
子１６間め電圧によってパワーが加えられる。この例に
おいて、電圧はほぼ７ボルトであった。バイアス電流源
１１により、レーザ１０にｄａバイアス電流ＩＲＩＡＳ
が供給され、バイアス電流源は正端子１２及びレーザの
正端子（Ｐ側）の間に供給される。バイアス電流源は任
意の標準的な定常電流源でよく、この例ではｐ−ｎ−ｐ
）−ランジスタ２４で、そのコレクタは約３０μＨのイ
ンダクタンスを有するインダクタ１４と直列に結合され
ている。この例におけるバイアス電流の大きさは、約６
０　ｍＡであった。インダクタはレーザに意図された変
調電流の高周波成分のあらゆる損失を防止するため、高
周波においてのみ高いインピー２ダンスを示すよう設計
される。従って、コイルは変調信号の歪を最小にするが
、もしトランジスタ２４が十分高いインピーダンスを有
するならば省くことができる。

用いた具体的なレーザは、標準的なメサエッチ埋め込み
へテロ構造レーザで、それは１、、ｎＰのｎ形基板、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ活性領域及びｐ形ＩｎＧａＡｓＰキャップ
層を含んだ。本発明は任意の半導体レーザに応用できる
はずである。

当業者には周知のように、帰還制御回路１３をレーザ動
作中、閾値の変化を補償するため、ｄｃ　　バイアスを
調整する目的で、バイアス電流源に結合してもよい。こ
こで用いた具体的な回路は、レーザの裏面から光出力を
測定し、それをデータ入力と比較する。選択された時間
での平均レーザ出力と平均データ入力との差′が、補償
の大きさを決める。（標準的な帰還回路についての詳細
な議論については、米国特許第４．、’００９．３８５
号参照のこと。）用いられる帰還回路の型は、本発明を
適用する上で、厳密さを必要とするとは信じられていな
い。

変調電流ＩＭＯＤ　は負端子１６及びｎ−ｐ−’ｎトラ
ンジスタ１７及び１８のエミッタ間に結合されたもう一
つの定電流源１５により供給される。やはり電流源は当
業者が入手しうる任意の標準的手段でよい。この例にお
いて、エミッタが抵抗Ｒ２と直列に結合されたｎ−ｐ−
ｎトランジスタ２５が用いられ、約４０ｍＡ　の電流を
供給した。この電流は端子２６においてトランジスタの
ベースに印加されるＤＣ電位により制御される。この例
において、Ｒ２は２０オームで電位は約１．５ボルトで
あった。

トランジスタ１８のコレクタはレーザのｐ側に結合され
、トランジスタ１７のコレクタは抵抗Ｒ１を通して正端
子１２に結合されている。データ人力パルス流は端子１
９において、トランジスタ１８のベースに供給され、一
方相補信号ＤＡＴＡは他のトランジスタ１７のベースに
結合された端子２０に供給される。

レーザのｎ側は定電圧源２７に結合されている。この例
におい１−１定電圧源はｐ−ｎ−ｐトランジスタ２１か
ら成り、そのエミッタはレーザに結合され、そのベース
は端子２２に、そのコレクタは抵抗Ｒ３を通して負端子
１６に結合されている。約２．５ボルトのｄｃ　基準電
圧が、レーザのｎ側を約３．３ボルトの一定電圧に保つ
ため、この例のベースに結合された。レーザを通る全ｄ
Ｃ電流をモニターするのＪに便利なため、抵抗Ｒ３が設
けられた。この例において、Ｒ３は約５オームであった
。

容量２３の一方の電極もまた、レーザのｎ側に結合され
た。容量の他方の電極は、図示されるように接地された
。この要素の目的は、ｒｆ　成分を短絡することであっ
た。

動作中レーザのｐ側に供給されるバイアス電流■１３１
ＡＳは、この例において約６０　ｍＡ　でレーザを閾値
以上にし、変調信号源からの信号がなくてもそれをＯＮ
状態に保つのに、大きさは十分であった。はとんどの用
途において、レーザを閾値以上少くとも１０ミリアンペ
アにバイアスするのが望ましく、３’０−４０ミリアン
ペア、閾値より高いことが望ましい。

データ入力があっても、ゼロが現われる限り、トランジ
スタは非導通状態のままであり、そのため第３図に示さ
れるように、時刻ｔ１まで変調電流はレーザに印加され
なかった。むしろトランジスタ１７に相補信号が印加さ
れたから、そのトランジスタはベースに印加された高電
位の結果導電性となり、変調信号は端子１２から抵抗Ｒ
１を通して端子１６に伝達された。たとえばｔｌ　　に
おいてデータ中に１１“が現れると、トランジスタ１８
のベースに印加されたバイアスは、トランジスタ１８を
導通状態にするのに十分で、従って電流１Ｍ０Ｄ　がレ
ーザからトランジスタ１８を通って、端子１６へ流れた
。電流の方向は第３図に示されるように、変調電流がバ
イアス電流から差し引かれるようなものである。生じる
レーザを通る電流は閾値より下であるから、レーザは第
４図に示されるように、その低出力ＯＦＦ　状態にスイ
ッチされた。変調パルスが除かれた時、レーザはたとえ
ばｔ４　　においてＯＮ状態に戻った。（説明のため、
交互に１及びゼロが第３及び４図に示されている。）第
３図に示されるように、トランジスタ１８が高速でター
ンオンした時、■ＭＯＤ　　パルスは最初その所望の大
きさを越える（典型的な場合、約１０ないし３０パーセ
ント）傾向があり、その定常値にあ・ちつくのにある程
度の時間（約３ｎｓｅｃ）かかる。典型的な従来技術の
の駆動方式において、このオーバーシュートは得られる
光パルスにも現れる。しかし、第４図に示されるように
、変調パルスが印加された時、レーザがその低レベルＯ
ＦＦ　状態に変るため、光パルスの著しい歪は現れない
。

変調信号がレーザを通る電流を閾値以下の値、すなわち
この例では２３　ｍＡ　にする限り、光パルスにはオー
バーシュートは現れないことがわかった。

ここで述べた駆動方式の更に有利な結果は、光のターン
−オフ及びターン−オン時間（ｔ２−１．及びｔ４−ｔ
３）が本質的に等しい（すなわち、差は０．２ｎｓｅｃ
より大きくない）という事実である。典型的な従来技術
の方式において、ターン−オン時間はターン−オフ時間
より短い。（すなわち、差は典型的な場合、０．７ｎｓ
ｅｃである。）このことは変調電流ターン−オンはター
ン−オフより速くなる傾向があり、閾値以下からレーザ
１で光が大きくなるのは、光の減衰速度より速くなる傾
向があるという事実により説明できる。本方式において
、速い変調電流のターン−オンが遅いレーザターンーオ
フに付随しに一方より遅い電流ターン−オフがより速い
レーザターン−オンに付随している。従って、光パルス
はより対称になる傾向がある。

本発明はレーザが９０メガビット／秒又はそれ以上のビ
ット速度で動作する送信機において有利なはずである。

２７４メ力ビツト／秒又けそれ以上のビット速度におい
て、特に有利である。本発明はまた変調電流レベルがワ
ードハターン依存性又はリップルを示ス９０メカヒツト
／秒以下のビット速度でもまた有用である可能性がある
。

もしＤＡＴＡ入力が端子１９に供給され、ＤＡＴＡ入力
が端子２０に供給されるならば、本発明は等しく有利で
あることを認識すべきである。これにより、データ入力
が１の時光出力パルスを生じ、データ入力がゼロの時は
光出力を生じない。そのような例において、変調電流は
レーザをその閾値より上から閾値より下へ駆動するが、
変調電流はＤＡＴＡにより制御される。従って、ここで
用いられるように、′データ入力に対応する変調電流は
、データ信号又はＤＡ’ｐＡのようなデータ信号のある
関数に比例する変調電流になりうる。

本発明の一つの欠点は、レーザを通常ＯＮに保つことに
伴う高いパワー消費である。しかし、５０パーセントの
くり返し周期を仮定すると、このことは］／２ＩＭＯＤ
　　だけの余分な電流が必要であることを意味する。こ
の例において、７ボルトのパワー源トＩｈｔｏｎ　＝＝
　４０ミリアンペアでは、これは約１４０ミリワツトの
余分のパワー消費に変換され、それは全パワー消費（約
８００ｍＷ）とは重要な関係にないと考えられる。

第２図に示される端子を用いることは、本発明の回路が
ほとんどの場合、集積回路の一部であるため、基本的に
は概略的なものであることを認識すべきである。従って
、端子はこの回路の一部に、意図したように適当な電位
を供給する回路の他の部分への、電気的接続を示す。

第２図に示されるすべての極性を逆にすることにより、
変調電流源及びノ＼イアス電流源は、レーザのｎ側にも
結合できることを認識すべきである。重要な条件は、１
ＢＩＡｓ及びＩ　Ａｔ　ｏ　Ｄ　　がレーザを通して異
なる方向をもち、それにより前者から後者が差し引かれ
ることである。

ここで述べた電流及び電圧源中に用いられているバイポ
ーラトランジスタの代りに、標準的なＦＢ’Ｔ　　を置
きかえることも認識すべきである。−１だ必要ならば、
ＩＢＩＡＳとともに、制御ＩＭＯＤ　　に帰還回路を設
けるとともできる。

更に、ここで用いられたゝゝ回路手段“という用語は何
らかのパワー源の必要性を条件としないように十分広く
意図したものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は典型的なレーザ光出力対電流特性を示す図、 第２図は本発明を実施するレーザ送信機の概略回路図、 第３及び第４図はそれぞれ変調電流パルス及び対応する
光出力パルスの流れを概略的に示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　レーザ中を流れる電流をそのレーザ閾値レベル以
   上にあげるのに十分なだけ、レーザにｄｃバイアス電流
   を供給する回路手段、データ入力信号に応動してデータ
   入力に対応する変調信号を供給する回路手段を含み、そ
   れにより、変調電流がｄｃバイアス電流から差し引かれ
   、変調電流にパルスが現われた場合、レーザを流れる電
   流がそのレーザ閾値レベル以下に下ることを特徴とする
   レーザー送信機。 ２、特許請求の範囲第１項に記載のレーザー送信機にお
   いて、 ｄｃ　　バイアス回路手段はトランジスタ及びインダク
   タを直列に有する定電流源を含むことを特徴とするレー
   ザー送信機。 ３、特許請求の範囲第１又は第２項に記載のレーザー送
   信機において、 ｄｃ　　バイアス回路手段は、レーザの動作中、バイア
   ス電流のレベルを調整するための帰還制御回路を含むこ
   とを特徴とするレーザ送信機。 ４、特許請求の範囲第１乃至第３項のいずれかに記載の
   レーザ送信機において、 変調回路手段は一対のバイポーラトランジスタのエミッ
   タに共通に結合された定電流源を含み、トランジスタの
   一つのコレクタはレーザに結合され、トランジスタの一
   方のベースはデータ入力信号を受けるためのものでアリ
   、他方のトランジスタのベースはデータ入力信号の相補
   信号を受けるためのものであることを特徴とするレーザ
   送信機。 ５、特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載
   のレーザ送信機において、 ｄｃ　　バイアス電流手段とはレーザの相対する側に結
   合された定電圧源が含まれることを特徴とする回路。 ６．特許請求の範囲第５項に記載のレーザ送信機におい
   て、 定電圧源はトランジスタを含み、トランジスタは抵抗と
   直列に結合されていることを特徴とするレーザ送信機。 ７　特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれかに記載
   のレーザ送信機において、 電流のｒｆ　　成分を短絡するため、レーザに結合され
   た容量が含まれることを特徴とするレーザ送信機。 ８、％許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれかに記載
   のレーザ送信機において、 変調電流手段は少くとも９０メガビット／秒のビット速
   度で動作する能力を有することを特徴とするレーザ送信
   機。 ９、　レーザのレーザ閾値を越える値を有するｄａ　　
   バイアス電流をレーザに供給すること、データ入力に対
   応する変調信号を供給することを含み、それにより変調
   電流がバイアス電流から差は引かれ、得られるレーザを
   流れる電流が、変調電流中にパルスが現れた時閾値以下
   になるデータ入力信号に応答した光パルスを生成させる
   ようにレーザ送信機を動作する方法。 １０、特許請求の範囲第９項に記載の方法において、 レーザは少くとも９０メガビット／秒のビット速度で動
   作させることを特徴とする方法。 １１、特許請求の範囲第９項又は第１０項に記載の方法
   において、 変調電流パルスの先端はパルスの定常状態振幅を越える
   が、光出力パルスには本質的に定常状態の振幅の変化が
   ないことを特徴とする方法。 １２、特許請求の範囲第９乃至第１１項に記載の方法に
   おいて、 光出力パルスの立上り及び立下り時間は本質的に等しい
   ことを特徴とする方法。