JPS6355791B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発光半導体デバイスのための駆動電流
の制御に、より具体的には注入レーザのためのバ
イアス電流のフイードバツク制御に関する。

注入レーザは効率的で且つコンパクトなコヒー
レント光源として働く発光半導体デバイスであ
る。そのようなデバイスはデータ通信並びに記
録、印刷及び表示装置において用いられている。

多くの応用において満足に動作するために注入
レーザはバイアス電流が供給される必要がある。
注入レーザに固定値のバイアス電流を用いる例は
例えば米国特許第3319080号、第3815045号、第
3925735号、第3968399号及び第4027179号明細書
に見られる。

レーザのバイアス電流のフイードバツク制御も
公知である。もしバイアス電流が光出力に応答す
る負フイードバツク・システムによつて制御され
るならば、個々のデバイスの特性の差異及びエー
ジングもしくは温度変化等によるデバイス特性の
時間的変化が補償される。

注入レーザに関するバイアス電流のフイードバ
ツク制御の使用例は例えば米国特許第3946335号
及び第4009385号明細書並びにJ.Gruber他、
“Electronic Circuits for High Bit Rate
Digital Fiber Optic Communication
Systems”、IEEE Trans.Comm.、COM−26、
1088〜1098（July1978）；D.Smith、“Laser Level
−control Ciruit for High−bit−rate System
Using ａ Slope Detector”、Elect.Lett.、14、
775〜６（1978）；P.Schumate他、“GaAlAs
Laser Transmitter for Lightwave
Transmission System”Bell Sys.Tech.Jour.57、
1823〜1836（1978）に見い出される。

注入レーザの変調信号が性質上デイジタルであ
る時でさえも、これら全てのフイードバツク・シ
ステムはアナログ型である。これは明らかに、感
知された光の振幅がデイジタル符号に変換される
事もなく、バイアス電流が（変調信号と対照的
に）デイジタル表現をアナログ形式に変換する事
によつて作られる事もないからである。バイアス
電流がアナログ的であるのは、それが取り得る振
幅値が連続的な性質を持つ事からも明らかであ
る。もしバイアス電流がデイジタル符号からの変
換の結果として作られるのであれば、バイアス電
流は（ある離散値から他の離散値への変化による
過渡現象が消滅した後の）定常状態においては離
散的な値しか取り得ないであろう。従つて従来技
術は、例え制御されたバイアス・レベルに重ね合
される信号が普通デイジタル的性質のものであつ
ても、注入レーザのバイアス・レベルの制御にア
ナログ・フイードバツクを用いていたのである。

従来技術の回路は、本来集積化の難かしいキヤ
パシタ及びインダクタ等の回路素子を含んでいる
ので、モノリシツクに集積化する事が本来困難で
ある。これらの回路素子がそのようなアナログ回
路で必要なのは、そのアナログ回路が１つ以上の
低域フイルタを必要とするからである。低域フイ
ルタは例えば変調信号が負フイードバツク・バイ
アス安定化システムに悪影響を与えないように、
及び積分等の演算を実行するためにフイードバツ
ク・システム自体に用いられる。また従来技術の
回路は拡張された又は柔軟性のある制御又はテス
ト機能を提供しない。これは各付加的機能が付加
的回路を必要とするからである。その結果、従来
技術の制御回路は融通性に欠けていた。異なつた
動作のモードあるいは異なつた応用は普通異なつ
た制御回路を必要とする。

モノリシツク集積化は他の実施方法を上回る価
格及び性能上の利点を提供する。またそれは制御
システムを注入レーザ及び付属の出力光フアイバ
と同じモジユール中に置ける程度に充分に小さく
形成する。さらに制御及びテスト機能の拡張は応
用に柔軟性を与えるが、これは一般にデイジタル
回路素子に伴なうものである。

従つて本発明の目的は、容易にモノリシツク的
に集積化できる注入レーザ用バイアス電流制御回
路を提供する事である。

本発明の他の目的は、拡張された柔軟な制御、
変調及びテスト機能を有する制御回路を提供する
事である。

本発明の他の目的は、通常のデイジタル部品用
の製造ライン上で製造及びテストできるそのよう
な制御回路を提供する事である。

本発明の他の目的は、注入レーザ及び付属出力
光フアイバと同じモジユール内に実装可能な程度
の小さな制御回路をを提供する事である。

本発明の他の目的は、注入レーザ用のデイジタ
ル制御回路を提供する事である。

注入レーザ等の発光半導体デバイスのための駆
動電流は、複数の異なつた離散的な電流振幅の任
意の１つを供給し得るデイジタルにプログラム可
能な電流源によつて供給される。デバイスによつ
て放射される光の振幅は感知されデイジタル的に
符号化される。デイジタルに符号化された光出力
レベルに応答し且つ同様に他のデイジタル信号に
も選択的に応答する論理回路が、プログラマブル
電流源によつて供給される離散的電流振幅を制御
する。

良好な実施例がデイジタル（又はアナログ）通
信に用いられる時、デイジタルにプログラマブル
な電流源は注入レーザのためのバイアス電流を供
給する。レーザのための全駆動電流を形成するた
めにこのバイアス電流に変調電流が付け加えられ
る。別の動作のモードでは変調された駆動電流が
プログラマブル電流源によつて供給される。

第１図に示すように、受光デバイス１０は、発
光半導体デバイス１２の放出する光１４に応答す
るようにデバイス１２に関して配置される。デバ
イス１２からの光１４は他方向にも伝わり、そこ
で１つ以上の有用な機能を果たす。例えば光１４
は第１図及び第２図に示すように光フアイバ１６
に結合してもよい。デバイス１０及び１２は任意
の便利な方式で共通構造１８上に搭載しても良
い。デイジタル制御装置２０はデバイス１０から
来る信号線２２上のアナログ信号に応答して、デ
バイス１２のために信号線２４に駆動電流を発生
する。デイジタル制御装置２０は一般にアナログ
−デイジタル変換器２６、制御論理２８、及びデ
イジタル−アナログ変換器３０から構成される。
制御装置２０は一般に、第１図のデイジタル：シ
ステム３２のような他のデイジタル装置とデイジ
タル的相互連絡するように作られている。デイジ
タル・システム３２はデイジタル制御ワード線３
４を経て制御装置２０に制御情報を与える。また
制御装置２０はデイジタル・ステータス報告ワー
ド線３６を経てデイジタル・システム３２にステ
ータス情報を報告する。多くの応用において発光
デバイス１２は何らかの方式で変調される。変調
情報は一般にデイジタル・システム３２から符号
入力線３８を経て制御装置２０に送られる。変調
情報はシステム３２以外の装置からも制御装置２
０に与えられる。また変調情報は出力を制御する
のに使用せずむしろ制御された出力24と和を取つ
てもよい。また変調情報はデイジタルはなくアナ
ログ的なものでもよい。

デバイス１２は注入レーザ又はLED等の事実
上任意の発光半導体デバイスであり得るが、デイ
ジタル制御装置はデバイスが注入レーザの時に最
も有利に使用される特徴を持つ。従つて以下詳細
に説明する制御装置の例は注入レーザに関する制
御装置である。当業者にとつて明らかな些かの変
更を行なうだけでその制御装置は他の発光デバイ
スに用いる事ができる。

第２図は制御装置の良好な実施例を示す。ここ
でアナログ−デイジタル変換器は２しきい値比較
器４０として実現され、制御論理はアツプ／ダウ
ン・カウンタ４２として、デイジタル−アナログ
変換器はデイジタル的にプログラマブルな電流源
４４として実現される。この制御装置はいくつか
の異なつた動作モードを持ち、多くの異なつた応
用に使用できる。第２図に示す実施例では発光デ
バイスは注入レーザ４６であり、受光デバイスは
フオトダイオード４８である。この応用ではレー
ザ４６は光フアイバ１６に光信号を伝送するため
に使われている。信号線５０の入力信号は２以上
のレベルのデイジタル信号でも、アナログ信号で
もよい。レーザ４６によつて発生される光信号は
入力信号に対応する。説明を簡単にするため、入
力信号５０はデイジタルにプログラマブルな電流
源４４からの出力信号５２に付加されるように示
してある。しかし２つの信号は電流源４４の内部
で加算してもよい。またプログラマブル電流源は
符号化入力信号を受け取り、それを出力信号５２
の成分の形に解読あるいは変換してもよい。

第３図は典型的な注入レーザの出力パワー曲線
のグラフである。駆動電流がしきい値I_THを越え
るとデバイスはレーザ発振を始める。I_THに続い
て、デバイスが完全にレーザ発振している殆んど
直線的な領域58が存在する。領域58の勾配はI_TH
以下の領域よりも急である。光パワー出力曲線に
３つの領域の定義が重ね合されている。レーザは
２進符号「11」で標識された領域内に平均出力パ
ワーが留まるように制御される。従つて領域
「11」は出力パワーの予期される変動がP_THと交差
しないようにP_THの上方にかなり離されている。
一方領域「11」はレーザの寿命が不当に短縮され
る程曲線の上方にあつてはならない。領域「01」
は領域「11」の下方のパワー領域であると定義さ
れ、領域「10」は領域「11」の上方の領域である
と定義される。

２つのしきい値比較器４０は、レーザが領域
「11」で動作しているか又は領域「10」もしくは
「01」で動作しているかを判定する。P₁は低いほ
うのしきい値で、駆動電流I₁に対応する。もう一
方のしきい値はP₂で定義され、駆動電流I₂に対応
する。領域「11」はこれら２つのしきい値の間の
パワー領域であると定義される。アツプ／ダウ
ン・カウンタ４２は比較器４０の判定に応答す
る。レーザが領域「11」にある時はカウンタ４２
は現在の計数値を保持する。レーザが領域「01」
にある時はカウンタ４２はレーザ・パワーが増加
する傾向を有する方向に計数値を徐々に変化させ
る。レーザが領域「10」にある時はカウンタ４２
はレーザ・パワーが減少する傾斜を有するように
反対方向に徐々に計数値を変化をさせる。カウン
ター４２の計数値はデイジタル的にプログラマブ
ルな電流源４４によつてレーザのための対応する
バイアス電流に変換される。

第４図は第２図に概略を示した実施例のより詳
細な図である。第４図に説明した論理回路は第３
図に説明した符号を生成するように設計されてい
る。同じ符号を生成するのに他の構造を用いる事
もできる。第３図の符号はこの回路の部分を実施
するために使われた市販の論理チツプで使われる
ものである。他の符号を必要とする他のチツプを
用いてもよいが、その場合論理回路の構造はそれ
に従つて変形しなければならない。第４図はエミ
ツタ結合論理を用いて実施しているものとする。
他の論理技術も使用できるが、その場合自明な変
形がなされるであろう。フオトダイオード４８
は、レーザ４６によつて放射された光１４の一部
によつて照射されるようにレーザ４６に関して位
置付けられる。この光は抵抗６０，６２の直列接
続から成るフオトダイオード負荷回路に光強度に
比例した光電流を流す。この電流の大きさは、第
１の比較器６４及び第２の比較器６６と協動する
抵抗６０，６２によつてデイジタルに符号化され
る。

比較器６４，６６に関して反転及び非反転の入
力及び出力を適当に選択する事によつて、並びに
抵抗６０，６２，６８及び７０の抵抗値を適当に
選択する事によつて、第３図の符号選択に対応す
るように比較器６４，６６の出力７２，７４の論
理符号が形成される。例えばレーザ出力パワーが
P₁よりも低い時フオトダイオード４８の負荷回
路に流れる光電流は点７２，７４の論理値が
「01」となるようなものである。レーザ出力パワ
ーがP₁とP₂との間の時、点７２，７４の論理値
は「11」である。レーザ出力パワーがP₂を越え
る時、点７２，７４の論理値は「10」である。

エネーブル線７６の「０」の論理値はANDゲ
ート７８，８０の出力を「０」にし、従つて点７
２，７４の論理値がフリツプ・フロツプ８２，８
４の入力に加えられるのを妨げる事によつてフイ
ードバツク・ループを開放する。点７２，７４の
論理値は信号線８６，８８を介して（デイジタ
ル・システム３２又はマイクロプロセツサ等の）
外部のシステムに利用可能である。外部で作られ
た論理値は、信号線９０，９２を経てフリツプ・
フロツプ８２，８４の入力に印加する事によつて
点７２，７４の論理値の代りにフリツプ・フロツ
プに与える事ができる。エネーブル線７６の論理
値が「１」の時、ANDゲート７８，８０は点７
２，７４の論理値をフリツプ・フロツプ８２，８
４の入力に加える。これはECLにおいて論理信
号の論理和を取る普通の方法である。他の論理フ
アミリーにおいてはORゲートが必要な事もあ
る。

エネーブル線７６が「１」と仮定すると、クロ
ツク９４からフリツプ・フロツプ８２，８４のク
ロツク入力に与えられる次のノツト・クロツク・
パルスが点７２，７４の論理値をフリツプ・フロ
ツプ８２，８４にロードされる。従つてフリツ
プ・フロツプ８２，８４の出力９６，９８は点７
２，７４と同じ論理値を取る。

（第２図の）アツプ／ダウン・カウンタ４２は
２つの16進カウンタ１００，１０２をカスケード
式に接続する事によつて実現される。カウンタ１
００，１０２は各々４ビツトの並列出力を与え
る。カウンタ１０２のオーバーフロー「キヤリ
ー・アウト」端子COはカウンタ１００の「キヤ
リー・イン」端子CIに接続される。従つてこの
２つのカウンタ１００，１０２は８ビツトの計数
範囲と８ビツトの並列出力を有する単一のカウン
タとして機能する。

カウンタ１００，１０２は各々次の論理符号支
配動作を有する。モード入力が「11」の時カウン
タは変化せずに計数値を保持する。モード入力が
「01」の時、カウンタはクロツク９４からクロツ
ク入力Ｃでクロツク・パルスを受取つた時に１だ
け増計数する。モード入力が「10」の時カウンタ
はクロツク入力Ｃでクロツク・パルスを受取つた
時に１だけ減計数する。モード入力が「00」の
時、カウンタはプリセツト端子の計数値をロード
する。プリセツト端子の全ては図示してあるるよ
うに論理レベル「０」の電位に接続される。プル
アツプ抵抗器９７，９９が存在する事により
「00」の符号が初期のターン・オフ時に自動的に
点９６，９８に生じる。従つてカウンタ１００，
１０２はターン・オン時に常に「00000000」の計
数値でスタートする。これはターン・オン時のレ
ーザ４６を損傷する可能性のある過渡現象からレ
ーザを保護する。

キヤリー・アウト端子COに「１」の存在する
事によつて表示されるカウンタ１００のオーバー
フローは、フイードバツク制御装置によつて
「11」のパワー範囲内の光出力が達成できない事
を示す。これは一般にレーザ４６が故障した事を
意味する。従つて信号線１０４上のカウンタ１０
０からのオーバーフロー・カウントは「レーザ故
障フラグ」と解釈される。最も上位の出力ビツト
線１１０，１１１，１１２の３本全部に同時に論
理値「１」が生じる事は制御装置は制御装置の範
囲の7/8が利用されてしまつた事を示すのでレー
ザの故障が接近しているものと解釈される。この
条件はANDゲート１１８により検出され、その
「１」出力は「レーザ故障接近フラグ」と解釈さ
れる。

カウンタ１００，１０２の出力ビツト線１１０
〜１１７は各々ANDゲート１２０〜１２７に接
続される。これらANDゲートの各々の他入力は
エネーブル線１２８に接続される。ANDゲート
１２０〜１２７がエネーブル線１２８上の「１」
によつてエネーブルされる時、カウンタ１００，
１０２の計数値はANDゲートを経由して転送さ
れ、抵抗１３０〜１３７から成る２進抵抗はしご
形回路に与えられる。抵抗値は、２進はしご形回
路中の抵抗を流れる電流の総和が計数値に対応す
る離散的なアナログ値になるように、図示される
ように２進的に値が増加している。２進はしご形
回路はデイジタル−アナログ変換器あるいはデイ
ジタル的にプログラマブルな電流源として作用す
る。２進はしご形回路の抵抗を流れる電流の総和
は駆動電流として線１３８を経てレーザ４６に加
えられる。R2R回路網等の他のＤ／Ａ低抗回路
網を使う事もできる。

周知のようにECL技術と共にプルアツプ抵抗
を用いなければならないが、多くのプルアツプ抵
抗は図を簡単にするために示されていない。
ECL技術を用いた１つの結果は電流が決して始
めから終りまでゼロ値にならない事である。従つ
て例え計数値が「00000000」の時でさえも線１３
８にはいくらかの電流が流れる。Ｄ／Ａ抵抗回路
網はレーザ４６がしきい値に達するのにこの電流
が充分でないように設計されるべきである。

ダイオード１４０，１４２はレーザ・ダイオー
ド４６の付加的電圧降下がＤ／Ａ回路網中の抵抗
に対する正しい終端電圧（V_TT＝２ボルト）を与
えるように、論理供給電圧（V_EE＝5.2ボルト）を
オフセツトするために設けられる。

デイジタル制御装置が光通信の応用い用いられ
る時、制御装置の内部動作のシーケンスは次の通
りである。パワーがオンになる時、カウンタはプ
リセツトのゼロをロードする。その後即座にＡ／
Ｄ変換器がレーザ出力パワーを不充分である
（「01」）と符号化する。これはカウンタを増計数
させ、それによつて各計数値において線１３８を
経てＤ／Ａ変換器によりレーザに供給されるバイ
アス電流を増加させる。これはレーザ出力パワー
が許容可能なパワー範囲内（「11」）に入りそれが
符号化されるまで続く。この時ノード１４４にお
いてバイアス電流に変調信号が付加され得る。線
１４６上の信号入力はゲート１４８及び抵抗１５
０を経てこのノードに変調電流を供給する。この
変調電流はレーザの発生する平均パワーを変化さ
せる。もし平均パワー変位がそれを許容可能なパ
ワー範囲（「11」）の外側へやるのに充分であれ
ば、これはＡ／Ｄ変換器によつて符号化されカウ
ンタは補償のために増計数又は減計数する。実
際、許容可能なパワー範囲（「11」）は、入力変調
信号が発生する平均パワーの変動よりも幅が少し
大きいように選択される。プログラマブル電流源
（Ｄ／Ａ変換器）の分解能は、変調電流によつて
導入された平均パワーの変動がカウンタ状態の変
化を生じないような少なくとも１つのカウンタ状
態が存在する位に充分に大きい。短かい動作期間
の後にカウンタはこの状態（又はこれらの状態の
１つ）になる。この状態が一度達成されると、カ
ウンタの状態を変化させる唯一の現象は経年変化
又は温度によるレーザの平均パワーの変化だけで
ある。

印刷、記録又は表示の応用において必要とされ
得るピーク・パワー制御変調モードにおいて制御
装置が用いられる時、制御装置の内部動作のシー
ケンスは次の通りである。即ち論理レベル・ゼロ
信号がエネーブル線７６及び外部制御ワード線９
０，９２に供給される。次にパワーが制御装置に
加えられ、カウンタはプリセツト・ゼロをロード
する。この時ピーク・パワー制御された光パルス
として表現されるべきデイジタル信号列がエネー
ブル線７６に加えられる。最初の論理レベル１が
この線に加えられると即座に制御ループが閉じ、
レーザの状態が符号化され、カウンタはレーザ出
力が許容可能なパワー範囲（「11」）に至るまで増
計数される。許容可能なパワー範囲は抵抗６０，
６２を適当に定める事によつて応用に必要とされ
るものに設定されている。外部制御ワード・エネ
ーブル７６が論理レベル１に保たれる限り、制御
装置は前述の機構によつてレーザ出力を許容可能
なパワー範囲内に維持する。エネーブル７６が論
理レベル０になると、ゼロ・プリセツトが再びカ
ウンタにロードされレーザ出力をゼロに落とす。
このサイクルはパルスがエネーブル線７６に加え
られる毎に繰り返される。またレーザが許容可能
範囲に入つた後外部制御ワード線９０，９２を
「11」にしエネーブル線７６を０にする事によつ
て、エネーブル線１２８を用いてレーザ駆動電流
の同様の変調を行なつてもよい。この動作モード
ではカウンタを更新するために周期的にフイード
バツク・ループを再エネーブルする必要がある。

エネーブル線７６及び外部制御ワード線９０，
９２はレーザをターン・オフするために論理レベ
ル０にされてもよい。この信号はレーザが搭載さ
れたキヤビネツト上のインターロツク・スイツチ
又はレーザが用いられるシステムからの信号によ
つて与えられる。この機構はレーザ放射に不注意
にさらされる事から事を保護し得る手段を与え
る。同じ機能を達成するためにエネーブル線１２
８を代わりに用いてもよい。

制御装置は、エネーブル線７６及び外部制御ワ
ード線９２に論理レベル０を、外部制御ワード線
９０に論理レベル１を与える事によつて、それが
接続されたレーザ・ダイオードの条件をテストす
る事ができる。これはカウンタを連続的に増計数
させ、Ｄ／Ａ変換器はそのダイナミツク・レンジ
を反復的に走査する。従つてレーザ・ダイオード
を通る電流はしきい値以下のある値からＤ／Ａ変
換器が供給し得るピーク電流にわたつて変化す
る。従つてこの範囲内の全ての電流に対するレー
ザ・ダイオードの応答がアナログ・レーザ報告線
１６０又はレーザ光出力ポートのいずれかにおい
て調べられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による発光半導体デバイスのバ
イアス電流のためのデイジタル制御装置のブロツ
ク図、第２図はデイジタル制御装置の良好な実施
例のブロツク図、第３図は駆動電流の関数として
典型的な注入レーザの出力パワー曲線を表わした
図、第４図は第２図の良好な実施例の図である。 １０……受光デバイス、１２……発光半導体デ
バイス、１６……光フアイバー、２０……デイジ
タル制御装置、２６……Ａ／Ｄ変換器、２８……
制御論理、３０……Ｄ／Ａ変換器、３２……デイ
ジタル・システム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発光半導体デバイスからの光出力を感知し、
   その振幅を表わすデイジタル信号を生成する装置
   と、 上記デイジタル信号に応答してデイジタル出力
   信号を発生する制御論理と、 上記デイジタル出力信号を発光半導体デバイス
   のための駆動電流に変換する装置とより成る 発光半導体デバイス用の制御回路。 ２ 上記光出力を感知する装置がフオトダイオー
   ドから成る特許請求の範囲第１項記載の制御回
   路。 ３ 上記制御論理がアツプ／ダウン・カウンタか
   ら成り、上記デイジタル出力信号が上記カウンタ
   の計数値である特許請求の範囲第１項記載の制御
   回路。