JPS61274434A - 光変調回路 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、電圧対電流特性が外部光によって敏感に影
響される３字負性特性を呈しかつ流れる電流に応じて発
光する光半導体素子を用いた光変調回路に関する。

（従来の技術） 従来、この種の光半導体素子及びこれを用いた光変調回
路の一例が文献（「アイ・イー・イー串イー　ジャーナ
ル　オン　クオンタム　エレクトロニクスＪ　（ＩＥＥ
Ｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｒ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓ）、　　ＱＥ　−１４、［＋１１（Ｎｏ
ｖｅｍｂｅｒ　　ｌ！１１７Ｂ）　　　、ｐｐ８１０　
−８１２）に開示されている。

先ず、この文献に開示されている光半導体素子の特性に
つき簡単に説明する。第３図は光半導体素子の電圧対電
流特性を示し、横軸にはこの素子に印加される電圧Ｖｄ
をまた縦軸にはこの素子に流れる電流Ｉｄをそれぞれプ
ロットして示しである。この素子はオフ安定領域文、不
安定領域ｍ及びオン安定領域ｎを含むＳ字型負性抵抗特
性ＣＨ。

を示し、オフ安定領域文と不安定領域ｍとの境界におけ
る転移点電圧Ｖｔは高い値ｖｔ１となっている。さらに
、この素子が外部から光の照射を受けると、この転移点
電圧Ｖｔは高い＠Ｖｔ　、から低い値ｖｔ２に変化し、
従って２図中破線で示すような特性ＯＨ，となる。

さらに、この素子はオン安定領域ｎではこの素子に流れ
る電流に応じた光量で発光するという特性を有している
。

このような特性を有する光半導体素子は、ＧａＡｓ、Ｇ
ａＡ１Ａｓ等の化合物半導体を母体として適切な製造条
件の下でＰＮＰＮの四層構造に形成することによって得
られる。

次に、この文献に開示されたこのような光半導体素子を
用いた光変調回路の回路構成を第４図に示す。

この光変調回路１０は、Ｓ字型負性抵抗特性を有しダイ
オードとして構成された光半導体素子りとその７ノード
側に接続されインダクタンスを構成するコイルＬとの直
列回路に並列に第一コンデンサＣ＋ｆ！：接続して並列
回路を形成し、さらに、コイルＬに接続された第一コン
デンサＣ１の一方の電極を負荷抵抗ＲＬ及び定電圧電源
Ｅの陽極側電極に接続し、電源Ｅの陰極側電極を第一コ
ンデンサＣＩの他方の電極に接続した構成となっている
。

次に、この従来の光変調回路１０の動作につき第３図〜
第５図を参照して説明する。

ここで、第５図は従来の光変調回路の第一コンデンサＣ
１の端子間電圧の時間波形を示す曲線図である。

初期状態では第一コンデンサＣ１の両端の電圧Ｖｃはほ
ぼゼロか負の値（−Ｖｆ　）となっており、（第５図の
例では−ｖｒ）かつ、光半導体素子りはオフ（非導通）
となっている、この初期状態から、電源Ｅの電圧により
負荷抵抗ＲＬを通じて第一コンデンサＣＩに電荷が蓄積
される。このコンデンサＣ，の両端の電圧Ｗｅが初期値
−Ｖｆから目標値である定電圧電源Ｅの電圧に向って上
昇し、光半導体素子りの転移点電圧Ｖｔに達する（第５
図）、この時、この素子りはオン（導通）となってオフ
安定領域立からオン安定領域ｎに移動する。この素子り
のオフ期間をｔ２とする。オン安定状態では、負荷抵抗
ＲＬ、第一コンデンサＣ１、コイルし及び光半導体素子
りから成る減衰振動回路として作動し、よってその減衰
振動の半周期の間、電源Ｅ及びコンデンサＣＩの電荷が
光半導体素子りを電流Ｉｄとしてパルス的に流れて、こ
の素子りが発光する。その発光後、減衰振動の半周期の
終りに、電流Ｉｄが光半導体素子のオン安定領域ｎを保
つ最小の電流である保持電流Ｉｈ　　（第３図）よりも
小さくなると、この素子りの特性はオン安定領域ｎから
オフ安定領域見に移って素子りはオフとなる。素子りの
オン期間を１、とする、第一コンデンサＣＩの両端子間
型圧Ｖｃは、この素子りをターンオンする転移点電圧Ｖ
ｔから減衰振動の半周期でゼロ又はマイナスの値（−ｖ
ｒ　）となって、初期状態にもどる。このような動作が
繰り返されて光パルスが周期的に発生する。

・第４図に示す回路ｌＯは、光半導体素子りに外部から
光を照射すると、光の量に応じて転移点電圧Ｖｔの値が
小さくなり（第３図において、ｖｔＩからＶｔ２への変
化）、従って、光パルスの周期が短くなってその結果周
波数が上るので、光変調器として動作する。

ところで、この種の回路では、負荷抵抗ＲＬの選択によ
って、いく通りかの動作モードが考えられる。

仮りに、電源電圧Ｅと負荷抵抗値ＲＬとを適当に設定し
たとする。光半導体素子りの両端子電圧をＶｄとした時
負荷抵抗ＲＬを流れる直流的な電流Ｉは負荷曲線ｐで与
えられる。この場合、電圧ＶｄをＯ■とすルト、電流工
はＩｏ　　（Ｉｏ　＝Ｅ／ＲＬ　：但し、Ｅは電源Ｅの
電圧、ＲＬは負荷抵抗ＲＬの抵抗値）となる（第３図）
。

この電流工◇をＩｈよりも小さく選んだ場合、直流的に
或いは初期条件で光半導体素子りがオン安定状態ｎにあ
って、この素子りに最小の保持電流Ｉｈが流れている場
合には、その状態はオン安定状態ｎにありながら実際に
は安定ではなく、必ずオフ安定状悪文に移って発振状態
に入ることが保証される。従って、第４図に示す回路１
０は無安定発振回路となり、光変調器としての発振動作
が保証される。

しかしながら、負荷抵抗値ＲＬを前述の設定値よりもも
っと小さな値に選んで１．＞Ｉｈとなるようにした場合
には、負荷曲線ｐがオン安定領域ｎと交わる。これがた
め、直流的又は初期条件で光半導体素子りがオン安定状
ｆｉｎにあって、この負荷抵抗ＲＬに電流量◇が定常的
に流れているとすると、第一コンデンサＣ１の両端子間
電圧Ｖｃが素子りの両端子間電圧Ｖｄと等しくなり、従
って、電流Ｉ０がすべて素子りに流れていると、そのま
ま安定状態を保持することが出来る。

このような負荷抵抗値ＲＬの選定では、発振状態となら
なかったり、逆に、何等かへ擾乱により発振状態が停止
したりする恐れがある。これがため２通常の光変調回路
では、ＩｏをＩｈよりも大きくしてしまうような、小さ
な負荷抵抗値ＲＬを設定するようなことは回避する必要
がある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述した構成の光変調回路では、負荷抵
抗ＲＬの値を一定値よりも小さく出来ないので、負荷抵
抗ＲＬと第一コンデンサＣ１とによる電荷蓄積時間が制
限され、従って、発振周波数の上限値が抑えられるとい
う問題があった。

さらに、光半導体素子Ｄ（ダイオード）に流れる電流は
第一コンデンサＣＩの電荷に依存するため、素子りに大
電流を流すためには、この第一コンデンサＣＩの容量を
大きな値に設定することが必要である。しかしながら、
前述した通り、負荷抵抗ＲＬの値によって発振周波数が
制約を受けているので、第一コンデンサ０里の容量を大
きく出来ず、従って、電流の上限値が制限されるという
問題があった。

この発明の目的は、このような従来の問題点を除去し、
高い発振周波数で動作すると共に、光半導体素子を流れ
る電流を大きくして大出力が得られるように構成した光
変調回路を提供することにある。

Ｃ問題点を解決するための手段） この発明の目的の達成を図るため、この発明による光変
調回路１０（第１図）によれば、負荷抵抗ＲＬを、第一
抵抗Ｒ，と、この第一抵抗Ｒ１の抵抗値よりも大きな抵
抗値を有する第二抵抗Ｒ２とを以って、構成する。この
場合、第一抵抗Ｒ，の第二抵抗Ｒ２との接続中点とは反
対側の端子を電源Ｅの陽極側電極に接続し、第二抵抗Ｒ
２のこの接続中点とは反対側の端子を第一コンデンサＣ
ＩとインダクタンスＬとの接続中点に接続する。

さらに、この第二抵抗Ｒ２と並列に第一コンデンサＣ１
の容量よりも大きな容量の第二コンデンサＣ２を接続す
る。

（作用） このように構成すれば、大きな抵抗値の第二抵抗と並列
に大きな容量の第二コンデンサを接続しであるので、光
半導体素子がオフ状態にある時の第一コンデンサへの電
荷の蓄積時間がスピードアップされ、従って、素子の転
移点電圧に達する時間が短縮され、よって、発振周波数
が高くなる。

さらに、負荷抵抗の値が等価的に小さくなるので、その
分だけ第一コンデンサの容量を大きく設定することが出
来、これがため、光半導体素子の発光時に第二コンデン
サからこの素子に放電される電流量を大きくすることが
出来、それだけ発光出力を大きくすることが出来る。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の実施例につき説明する
。

第１図はこの発明の光変調回路の構成の実施例を説明す
るための回路図を示し、第４図に示した回路構成成分と
同一の構成成分については同一の符合を付して示し、そ
の詳細な説明を省略する。

回路構成の説明 この発明の光変調回路１０によれば、光半導体素子りを
例えば既に説明したようなＰＮＰＮの四暦構造のダイオ
ードとし、その陽極側にインダクタンスＬを直接接続し
、このダイオードＤ及びインダクタンスＬの直列回路と
並列に第一コンデンサＣ＋　を接続し、さらにダイオー
ドＤと第一コンデンサＣ１との接続中点を電源Ｅの陰極
側に結合する。尚、この点の構造（第４図）については
従来と変らない。

この発明の構成によれば、第１図に示すように、第一コ
ンデンサＣＩ　とインダクタンスしとのｔｌに！中点を
、第二抵抗Ｒ２及び第一抵抗Ｒ＋　とをこの順序で接続
して成る直列回路を介して、電源Ｅの陽極側電極に接続
すると共に、この第二抵抗Ｒ２と並列に第二コンデンサ
Ｃ２を接続する。

この場合、第一及び第二抵抗Ｒ１及びＲ，が負荷抵抗Ｒ
Ｌを構成する。

この第二抵抗Ｒ２の抵抗値を第一抵抗Ｒ，の抵抗値より
も大きく設定し、また、第二コンデンサＣ２の容量を第
一コ〉゛デンサＣＩの容量よりも大きい値に設定する。

回路動作の説明 次に、この発明の光変調回路の動作を第１図、第２図（
Ａ）及び（Ｂ）並びに第３図を参照して説明する。

第２図（Ａ）及び（Ｂ）はこの発明の光変調回路の電圧
波形図であり、（Ａ）図は第一コンデンサＣ１の端子間
電圧Ｖｃの時間的変化を示す電圧波形図、（Ｂ）図は抵
抗値の小さい第一抵抗Ｒｏ（この抵抗値もＲ，で表わす
）と、抵抗値の大きい第二抵抗Ｒ２（この抵抗値もＲ２
で表わす）との接続中点における電圧ＭＬの時間的変化
を示す電圧波形図である。

今、−例として、第一抵抗Ｒｏと第二抵抗Ｒ２のそれぞ
れの抵抗値Ｒ１及びＲ７を第３図に示した従来の負荷抵
抗ＲＬの負荷抵抗値ＲＬを分割して得られる抵抗値とす
る。従って、 Ｒ，＋Ｒ２＝ＲＬ　、　　但し、Ｒｒ　＜　＜　Ｒ２ま
た。第二コンデンサＣ２（容量もＣ２で表わす）は第一
コンデンサＣＩよりも充分大きく設定する。すなわち、 Ｃ，＞＞Ｃ。

今、初期条件として、連続発振状態での素子りのオフ時
間の開始時点（１＝０）をとる。

この初期状態では、第一コンデンサＣＩの両端子電圧Ｖ
ｃ第２図（Ａ）に示すように、はぼＯか負の値（−ｖ　
ｒ）となっており、他方、第一及び第二抵抗Ｒｏ及びＲ
２の接続中点における電圧ＶＬは第２図（Ｂ）　ニ示す
ようｊ：Ｖ＋　　（Ｖ＋　＞−ＶＦ　）　となっている
、また、この時、光半導体素子りはオフ状態にある。

この初期状態から、電源電圧Ｅにより小さな抵抗値Ｒ１
の第一負荷抵抗Ｒｏを通じて第二コンデンサＣ２及び第
一コンデンサＣ１に電流が流れ、これらに電荷が１１−
積される。この場合、　Ｃ２＞＞Ｃ１でかつＲ，＜＜Ｒ
２であるので、第二コンデンサＣ２の電圧は少ししか変
化せず、よって第二負荷抵抗Ｒ２を流れる電流も小さい
、従って、第一コンデンサＣ１の両端子電圧Ｖｃは第２
図（Ａ）に示すように目標値（定電圧電源Ｅの電圧Ｅか
ら電圧ｖ１を引いた値：目標値までの時間をｔ４とする
）に向って急激に上昇する。

この場合、電圧ＶＬは電圧Ｖｃの変化とほぼ同じ傾向で
、第一抵抗Ｒ１及び第一コンデンサＣ１でほぼ決る電圧
変化で急激に上昇する。この電圧ＶＬが電源電圧Ｅに近
づくと、このような急激な電圧上昇が止まる（第２図（
Ｂ）のｔ４）、その後は、第二コンデンサＣ２の電荷が
第二抵抗Ｒ２を通じて放電するので、第一コンデンサＣ
３の両端子間電圧Ｖｃは緩やかに上昇して（第２図（Ａ
）に示すＬ５の時間）、光半導体素子りの転移点電圧Ｖ
ｔに達すると共に、電圧ＶＬはｖ２に達する。

素子りは転移点電圧Ｖｔとなるとオフ安定領域文からオ
ン安定領域ｎに移動するので（第３図）、この素子りの
全オフ時間はｔ６＝ｔ、＋ｔＳとなる（第２図（Ａ）及
び（Ｂ））。

光半導体素子りの転移電圧Ｖｔになると、これと、第一
コンデンサＣＩと、コイルＬとが減衰回路を形成するの
で、第一コンデンサＣＩの蓄積電荷はこの素子りに流れ
込む、尚、コイルＬには電源Ｅ、第一抵抗Ｒ３及び第二
抵抗Ｒ２，第二コンデンサＣ２が接続されているので、
この系統からの電荷も素子りに流れ込む。

これがため、減衰振動の半周期の間、電源Ｅ。

第一及び第二コンデンサＣＩ及びＣ２の電荷が電流Ｉｄ
としてパルス的に光半導体素子りに流れ込んで、この素
子りを発光させる。

この発光後、この素子りの特性はオン安定領域ｎからオ
フ安定領域文に移るので、素子りはオフの初期状態とな
り、従って、第一コンデンサＣＩの両端子間電圧Ｖｃが
転移点電圧Ｖｔから初期電圧値０又は−Ｖｆとなると共
に、第一及び第二抵抗Ｒ１及びＲ２の接続中点の電圧Ｖ
Ｌも初期電圧値Ｖ＋　となる（第２図（Ａ）及び（Ｂ）
）、　、：（７）素子りの動作期間をＥ３で示しである
。

上述したような素子りのオフ及びオン動作が繰り変えさ
れて光パルスが周期的に発生する（第２図（Ａ）及び（
Ｂ））、　ナオ、電圧ＶＬ？電圧値ｖＩと電圧値ｖ２は
、電圧Ｖｃとの関係で、第二コンデンサＣ２の電流と、
放電電流とのバランスのとれる値として、定まることと
なる。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の光変調
回路によれば、従来の負荷抵抗を第一及び第二負荷抵抗
とに分割し、第二抵抗の抵抗値を第一抵抗の抵抗値より
も大きくし、この第二抵抗値と並列に第一コンデンサよ
りも容量の大きい第二コンデンサを接続した構造となっ
ている。従って、光半導体素子のオフ期間の最初は第二
コンデンサの電圧は小さいので、第二抵抗を流れる電流
が小さく、これがため、第一コンデンサの端子間電圧が
従来の光変調回路の場合よりも急激に上昇し、従来の光
変調回路の場合よりも目標値に達するまでの時間が短縮
する。その後の転移点電圧までの緩やかな電圧上昇は従
来と変らない、結局、この発明の光変調回路では、従来
に比べて、光半導体素子がオフ状態にある時に第一コン
デンサに電荷を蓄積する時間が短縮してスピードアップ
するので、発振周波数が高くなるという利点がある。

さらに、この発明の光変調回路の構造によれば、負荷抵
抗値が等価的に小さくなるので、その分だけ第一コンデ
ンサの容量を大きくして、このコンデンサに蓄積する電
荷量を大きくし、よって、素子がオン状態の時にコイル
を経てこの素子に流れる電流量を大きく出来るので、結
局は光出力を高めることが出来る。

なお、これら発振周波数は、この回路の構成成分の値の
設定及び動作条件により、例えば従来の３０倍程度また
はそれ以上にすることが出来る。また、光出力を、同様
に、例えば従来の３０倍程度またはそれ以上にすること
が出来る。

また、上述した回路構成を適切に変更を加えて、上述し
たと同様な効果を達成することも出来る。

このように、この発明によれば、高周波で大光出力の光
変調回路が得られるので、この光変調回路は光通信とか
、計測分野に使用して特に好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の光変調回路の実施例を示す回路図、 第２図（Ａ）及び（Ｂ）はこの発明の光変調回路の説明
に供する電圧波形図、 第３図はこの発明及び従来の光変調回路の説明に供する
光半導体素子の特性を示す特性曲線図、第４図は従来の
光変調回路を示す回路図、第５図は従来の光変調回路の
説明に供する電圧波形図である。 ｌＯ・・・光変調回路、　　　Ｄ・・・光半導体素子Ｃ
１・・・第一コンデンサ、Ｃ２・・・第二コンデンサＬ
・・・コイル、　　　　　　ＲＬ・・・負荷抵抗Ｒ，・
・・第一抵抗、　　　Ｒ２・・・第二抵抗Ｅ・・・電源
。 特許出願人　　　　沖電気工業株式会社ｆｏ　光徽訓回
茫　　　　ＲＬ′輿肴抵抗ｃ、　　冨−コンデンサ　　
　　Ｒ１：冨−ｉ抗Ｃｚ　”１ニコンヂン＋Ｔ　　　　
Ｒｚ：寥二砥抗Ｄ　光！ｆ尋導素子 　　Ｏ Ｌ：コイル この発明の兜裳調回鋒［ホ「回路口 笛１図 第３図 笛−コンデンサの嬌チ閘を足港形曹線困第５図 八　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　へ＜　　　　　　　　　　　　＝ 手続補正書 昭和６１年６月２７日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓ字型負性抵抗特性を有する光半導体素子及びイ
   ンダクタンスの直列回路と並列に第一コンデンサを接続
   し、該インダクタンスに結合された該第一コンデンサの
   一方の電極に、他端が電源の陽極側電極に結合される負
   荷抵抗の一端を、接続し、該第一コンデンサの他方の電
   極を前記電源の陰極側電極に結合するように構成した光
   変調回路において、 負荷抵抗を、電源の陽極側電極から第一コンデンサの一
   方の電極へと順次に直列に接続された第一抵抗及び第二
   抵抗を以って、構成し、 該第二抵抗と並列に第二コンデンサを接続し、前記第二
   抵抗の抵抗値を前記第一抵抗の抵抗値よりも大きく設定
   し、 前記第二コンデンサの容量を前記第一コンデンサの容量
   よりも大きく設定した ことを特徴とする光変調回路。