JPWO2009011019A1

JPWO2009011019A1 - 光送信器

Info

Publication number: JPWO2009011019A1
Application number: JP2009523459A
Authority: JP
Inventors: 正道野上; 雅樹野田; 巨生鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2010-09-09
Also published as: EP2169789A4; US8242709B2; KR20100021648A; WO2009011019A1; EP2169789A1; US20100181937A1; CN101743669A; KR101073149B1

Abstract

光変調器へ入力するバイアス光を高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御することが可能な光送信器を提供することを目的とする。高速電流切替回路３により、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号に応じて、ＬＤ２の駆動電流を高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御することで、ＬＤ２の光出力を高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御する。また、温度検出電流発生回路４は、ＬＤ２の光出力が周囲温度に依存して変化しないように、周囲温度を検出し、この検出された周囲温度に応じて調整された駆動電流を生成する。

Description

本発明は、光変調器を用いた光送信器に関するものであり、特に、変調されるバイアス光に対して発光のＯｎ／Ｏｆｆ（オン／オフ）を高速に制御する光送信器に関するものである。

光送信器は、光通信システム等に設けられ、電気信号を光信号に変換して送信するものである。従来の光送信器としては、例えば、特許文献１および２に記載された光送信器がある。

特許文献１では、光源としてのＬＤ（レーザダイオード）と、ＬＤのＯｎ／Ｏｆｆ信号（以下、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号という。）が入力されＬＤの駆動電流を制御するトランジスタと、ＬＤからの光を入力信号で変調する外部変調器と、を備えた光送信器が記載されている。この光送信器においては、トランジスタのコレクタをＬＤのカソードに接続し、トランジスタのエミッタとＧＮＤ（接地）間に負荷抵抗を挿入し、トランジスタのベースにＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号を入力する回路構成とすることで、ＬＤ（レーザダイオード）のＯｎ／Ｏｆｆ制御を行う。

また、特許文献２では、上述の特許文献１に記載の光送信器の構成に加えて、ＬＤの光出力を検出するＰＤ（フォトダイオード）と、このＰＤに接続されたフィードバック型ＡＰＣ（Automatic Power Control）回路等のフィードバック制御回路と、をさらに備えた光送信器が記載されている。すなわち、この光送信器においては、ＰＤによるＬＤの光出力の検出結果をもとに、フィードバック制御回路によりＬＤ駆動電流を制御することで、ＬＤの光出力を一定に保つ制御を行う。この場合にも、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号に合わせて光出力のＯｎ／Ｏｆｆを行うことが可能となる。

特開平９−８３０５０号公報特開２０００−８９１７８号公報

しかしながら、上記従来の技術には、以下に示すような問題点があった。すなわち、従来の光送信器においては、外部変調器へ入力するバイアス光を高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御することが困難であるという問題点があった。

例えば、特許文献１に記載の光送信器においては、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ機能は高速動作を目的としていないため、駆動電流のＯｎ／Ｏｆｆ安定化には時間を要し、高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御することができなかった。実際、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号に対するＬＤ駆動電流波形を調べると、ＯｆｆからＯｎへ信号を切り替えたときには、Ｏｎ時の電流値が安定し所定の値となるまでに時間を要し、また、ＯｎからＯｆｆへ信号を切り替えたときには、電流値が０になるまでに時間を要することがわかった。

また、特許文献２に記載の光送信器においては、光出力安定化にフィードバック型ＡＰＣを用いているため、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号によりループ回路が切断するため、安定状態に戻るにはある程度の時間を要し、やはり駆動電流のＯｎ／Ｏｆｆ安定化には時間を要するという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、光変調器へ入力するバイアス光を高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御することが可能な光送信器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光送信器は、発光素子と、この発光素子からの光を入力信号で変調する光変調器と、前記発光素子の光出力をオン／オフ制御するためのオン／オフ信号を入力とし、前記オン／オフ信号の切替に応答して、前記発光素子の駆動電流のオン／オフ切替制御を行う駆動電流切替制御部と、周囲温度を検出し、この検出された周囲温度に応じて調整された前記駆動電流を生成する駆動電流調整生成部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、駆動電流調整生成部にて駆動電流を生成し、駆動電流切替生成部にてオン／オフ信号に基づいて発光素子の駆動電流のオン／オフ切替制御を行うようにしたので、発光素子の光出力を高速にオン／オフ制御することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態２にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。図３は、実施の形態１における高速電流切替回路の構成を示す回路図である。図４は、図３の回路構成において、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号に対するＬＤ駆動電流波形のシミュレーション結果を示す図である。図５は、特許文献１に記載の従来の光送信器の構成を示すブロック図である。図６は、図５の回路構成において、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号に対するＬＤ駆動電流波形のシミュレーション結果を示す図である。図７は、特許文献２に記載の従来の光送信器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，１００外部変調器
２，１０２ＬＤ
３高速電流切替回路
４温度検出電流発生回路
５信号先頭検出回路
６，７，９，１１，１１３トランジスタ
８，１０，１２，１１４負荷抵抗
２０差動回路
２１カレントミラー
１１６ＰＤ
１１７フィードバック制御回路

以下に、本発明にかかる光送信器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。また、図３は、実施の形態１における高速電流切替回路の構成を示す回路図である。

図１に示すように、本実施の形態は、外部変調器１と、電流信号を光に変換する発光素子としての例えばＬＤ２と、駆動電流切替制御部としての高速電流切替回路３と、駆動電流調整生成部としての温度検出電流発生回路４と、を備えている。

ＬＤ２は光源であり、ＬＤ２の光出力は外部変調器１に入力される。外部変調器１は、ＬＤ２からの光を、送信データとしての入力信号で変調する光変調器である。

高速電流切替回路３は、ＬＤ２のカソードと接続され、ＬＤ２の光出力をＯｎ／Ｏｆｆ制御するためのＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号を入力として、ＬＤ２の駆動電流を高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御する。また、高速電流切替回路３は、温度検出電流発生回路４と接続されている。温度検出電流発生回路４は、周囲温度を検出し、ＬＤ２の光出力レベルが周囲温度の変化に依存しないように、ＬＤ２のＯｎ時における駆動電流を設定する。すなわち、温度検出電流発生回路４は、周囲温度の検出結果に応じた電流を発生し、高速電流切替回路３は、温度検出電流発生回路４による発生電流に基づいて、Ｏｎ時におけるＬＤ２の駆動電流を設定する。

次に、図１に示す構成の動作について説明する。ＬＤ２によりＤＣ発光した光は、外部変調器１へ入力され、さらに、入力信号端子を介して外部変調器１に入力された入力信号により変調され、この変調された光出力が送信される。高速電流切替回路３は、入力されるＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号（ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号入力）に基づいて、ＬＤ２の駆動電流（ＬＤ駆動出力）を高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御することにより、ＬＤ２の光出力の高速なＯｎ／Ｏｆｆ制御を行う。また、温度検出電流発生回路４によりＬＤ２の光出力レベルが温度に依らず一定となる様に各温度に最適な設定値を与える。高速電流切替回路３は、温度検出電流発生回路４により設定された最適電流を入力として（出力電流設定入力）、ＬＤ２の駆動電流であるＬＤ駆動出力を設定し、Ｏｎ時におけるＬＤ２の光出力レベルが温度に依らず一定となるように制御する。

図３は、本実施の形態における高速電流切替回路の構成を示す回路図である。図３に示すように、高速電流切替回路３は、差動回路２０と、カレントミラー回路２１と、を備えている。

差動回路２０は、エミッタを共通とした第１のトランジスタ６および第２のトランジスタトランジスタ７と、トランジスタ７のコレクタに一端が接続された負荷抵抗８と、を備えて構成されている。トランジスタ６のコレクタはＬＤ駆動出力端子に接続され、さらに、ＬＤ２のカソードと接続されている。また、負荷抵抗８の他端はＬＤ２のアノード側電位と共通の電位に設定されている。ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号入力端子は２つの端子からなり、その一方の端子はトランジスタ６のベースに、その他方の端子はトランジスタ７のベースに接続されている。また、トランジスタ６およびトランジスタ７の共通のエミッタは、カレントミラー回路２１に接続されている。

カレントミラー回路２１は、第１のトランジスタ９と、第２のトランジスタ１１と、トランジスタ９とＧＮＤとの間に挿入された負荷抵抗１０と、トランジスタ１１とＧＮＤとの間に挿入された負荷抵抗１２と、を備えて構成されている。トランジスタ９のコレクタはトランジスタ６およびトランジスタ７の共通のエミッタに接続され、トランジスタ９のエミッタは負荷抵抗１０を介してＧＮＤに接続されている。また、トランジスタ１１のコレクタは出力電流設定入力端子に接続され、さらに、温度検出電流発生回路４に接続されている。トランジスタ１１のエミッタは負荷抵抗１２を介してＧＮＤに接続されており、トランジスタ１１のベースとコレクタは相互に接続されている。また、トランジスタ９のベースとトランジスタのベース１１は相互に接続されている。

次に、高速電流切替回路３の動作について説明する。温度検出電流発生回路４にて発生した電流は、出力電流設定入力端子を介してカレントミラー回路２１に入力し、カレントミラー回路２１ではトランジスタ１１に流れる電流と同じ電流が同じ向きにトランジスタ９に流れるため、出力電流設定入力端子に入力する電流がカレントミラー回路２１を介して差動回路２０に供給される。差動回路２０は、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号入力端子から入力されたＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号に応じて、供給された電流を、電流経路を切り替えて出力する。すなわち、例えば、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号入力端子からＯｎ信号を入力する場合、トランジスタ６のベースおよびトランジスタ７のベースには、それぞれ正相および負相の信号が印加され、カレントミラー回路２１から供給される駆動電流はトランジスタ６に流れるがトランジスタ７には流れない。従って、Ｏｎ時には、ＬＤ駆動出力であるＬＤ駆動電流は出力電流設定入力端子に入力する電流で決定される。ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号入力端子からＯｆｆ信号を入力する場合には、トランジスタ６のベースおよびトランジスタ７のベースに印加される信号が上記とは反対となり、ＬＤ２にＬＤ駆動電流は出力されない。このように、本実施の形態では、差動回路２０等を備えた高速電流切替回路３を用いることにより、ＬＤ駆動電流のＯｎ／Ｏｆｆ制御を高速に行っている。

図４は、図３の回路の効果を説明するための図であり、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号に対するＬＤ駆動電流波形のシミュレーション結果を示す図である。図４の上側に示すＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号を示すグラフにおいては、横軸は時間（ｎｓ）、縦軸は電圧（Ｖ）である。ここで、ｎｓはナノ秒である。ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号は、０〜１（ｎｓ）ではＯｆｆ状態で電圧１．４（Ｖ）、１〜３（ｎｓ）ではＯｎ状態で一定電圧の１．８（Ｖ）、３〜５（ｎｓ）ではＯｆｆ状態で電圧１．４（Ｖ）となっている。図４の下側に示すＬＤ駆動電流波形を示すグラフにおいては、横軸は時間（ｎｓ）、縦軸は電流（ｍＡ）である。ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号がＯｆｆ状態からＯｎ状態に切り替えられた場合に、Ｏｎ信号立ち上がりより僅か１００ｐｓ（ピコ秒）後において駆動電流が安定し、所望の駆動電流を流し始める事が可能であることがわかる。すなわち、グラフ上のＭ０（１．１ｎｓ、７９．８ｍＡ）の時点で既に駆動電流の安定化がなされており、高速に駆動電流の安定化が実現されることがわかる。また、Ｏｎ状態からＯｆｆ状態に切り替えられた場合には、Ｏｆｆ信号への切替より１００（ｐｓ）後において、既に電流値は１４．６μＡとなっており（Ｍ２（３．１ｎｓ、１４．６μＡ）参照）、後述するように従来の約半分以下の電流値になる事が確認でき、従来よりも高速にＬＤ駆動電流の切替が可能となっている。

ここで、本実施の形態と従来の光送信器の効果の相違を明確にするために、特許文献１に記載の従来の光送信器、および特許文献２に記載の従来の光送信器について、図５〜図７を参照して説明する。

図５は、特許文献１に記載の従来の光送信器の構成を示すブロック図である。図５に示すように、この従来の光送信器は、光源としてのＬＤ１０２と、このＬＤ１０２からの光を入力信号で変調して出力する外部変調器１００と、ＬＤ１０２のＯｎ／Ｏｆｆ信号が入力され、ＬＤ１０２の駆動電流を制御するトランジスタ１１３と、このトランジスタ１１３とＧＮＤ間に設けられた抵抗と、を備えている。

トランジスタ１１３のコレクタはＬＤ１０２のカソードに接続され、トランジスタ１１３のエミッタとＧＮＤ間に抵抗１１４が挿入されている。また、トランジスタ１１３のベースにＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号が入力され、このＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号をもとにＬＤ１０２のＯｎ／Ｏｆｆ制御を行う。

図６は、図５の回路構成において、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号に対するＬＤ駆動電流波形のシミュレーション結果を示す図である。なお、従来の光送信器におけるＬＤＯｎ／Ｏｆｆ機能は高速動作を目的としていないため、図６では、図５の回路構成において、トランジション周波数ｆｔ＝１００ＧＨｚの超高速トランジスタを用いてシミュレーションした場合の結果を示している。

図６の上側に示すＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号を示すグラフにおいては、横軸は時間（ｎｓ）、縦軸は電圧（Ｖ）である。ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号は、０〜１（ｎｓ）ではＯｆｆ状態で電圧０（Ｖ）、１〜３（ｎｓ）ではＯｎ状態で一定電圧の１．５（Ｖ）、３〜５（ｎｓ）ではＯｆｆ状態で電圧０（Ｖ）となっている。図６の下側に示すＬＤ駆動電流波形を示すグラフにおいては、横軸は時間（ｎｓ）、縦軸は電流（ｍＡ）である。この従来の構成では、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号がＯｆｆ状態からＯｎ状態に切り替えられた場合に、ＬＤ駆動電流波形の電流値がほぼ一定の値となって安定するまでに、約１（ｎｓ）以上を必要としている。すなわち、Ｏｎ時から、グラフ上のＭ１（２ｎｓ、７３．８ｍＡ）までは駆動電流の安定化がなされておらず、上述の本実施の形態の場合（約１００（ｐｓ）で安定化）と比べて、安定化にかなりの時間を要することがわかる。また、Ｏｎ状態からＯｆｆ状態に切り替えられた場合には、グラフ上のＭ３（３．１ｎｓ、２４．２μＡ）で示すように、Ｏｆｆ後０．１（ｎｓ）時では約２４（μＡ）の電流が流れており、上述の本実施の形態の場合（Ｏｆｆ後０．１（ｎｓ）時では１４．６（μＡ））と比べて、安定化にかなりの時間を要することがわかる。なお、Ｍ１（２５０．４ｐｓ、５．８０１ｐＡ）では、電流値が約５．９（ｐｓ）となっており、Ｏｆｆ時における安定状態を示している。このように、特許文献１に記載の光送信器では、電流のＯｎ／Ｏｆｆの安定に時間を要するため、高速なＯｎ／Ｏｆｆ制御が実現されていなかったが、本実施の形態では、高速なＯｎ／Ｏｆｆ制御が実現されていることがわかる。

図７は、特許文献２に記載の従来の光送信器の構成を示すブロック図である。図７に示すように、この従来の光送信器は、図５の構成に加えて、ＬＤ１０２の光出力を検出するＰＤ（フォトダイオード）１１６と、このＰＤ１１６に接続されたフィードバック型ＡＰＣ回路等のフィードバック制御回路１１７と、このフィードバック制御回路１１７に接続されたトランジスタ１１５と、を備えている。

トランジスタ１１５のコレクタはＬＤ１０２のカソードに接続され、トランジスタ１１５のエミッタはトランジスタ１１３のコレクタに接続されている。また、トランジスタ１１５のベースがフィードバック制御回路１１７と接続されている。なお、その他の構成は、図５の構成と同様であるため、同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

このように構成された特許文献２に記載の従来の光送信器では、ＬＤ１０２の光出力をＰＤ１１６で発生する光起電力として検出し、この光出力の検出結果にもとに、フィードバック制御回路によりＬＤ駆動出力を制御することで、ＬＤの光出力を一定に保つ制御を行う。しかしながら、図７の構成では光出力安定化にフィードバック型ＡＰＣを用いているため、ＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号によりループ回路が切断するため、安定状態に戻るにはｍｓ（ミリ秒）オーダの時間が必要であるという問題があり、高速なＯｎ／Ｏｆｆ制御が実現されていなかった。

以上説明したように、本実施の形態によれば、高速電流切替回路３を設けることにより、ＬＤ２の駆動電流を高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御することが可能となり、従って、ＬＤ２の光出力を高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御することができる。また、温度検出電流発生部４を設け、ＬＤ２の駆動電流を周囲温度に応じて調整することで、ＬＤ２の光出力は周囲温度に依存せず一定となるように制御することができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施の形態は、図１に示す実施の形態１の構成に加えて、信号先頭検出回路５を備えている。信号先頭検出回路５は、入力信号端子に接続されるとともに、高速電流切替回路３に接続されている。なお、図２においては、図１と同一の構成要素には、同一の符号を付している。また、本実施の形態における高速電流切替回路３の回路構成は、実施の形態１と同様に例えば図３に示す回路構成である。

次に、本実施の形態の動作について説明する。外部変調器１へ入力される入力信号は、同時に信号先頭検出回路５へ入力される。信号先頭検出回路５は入力信号の先頭位置を示す識別信号を検出し、この識別信号の検出に同期してＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号を発生し、この発生したＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号を高速電流切替回路３に出力する。

本実施の形態によれば、信号先頭検出回路５は入力信号の先頭位置を示す識別信号を検出してＬＤＯｎ／Ｏｆｆ信号を発生するので、簡易に入力信号に同期した光出力を得ることができる。なお、本実施の形態のその他の構成、動作、および効果等は、実施の形態１と同様である。

以上のように、本発明にかかる光送信器は、光変調器へ入力するバイアス光を高速にＯｎ／Ｏｆｆ制御することができる光送信器として有用であり、光通信システムに好適に利用することができる。

Claims

発光素子と、
この発光素子からの光を入力信号で変調する光変調器と、
前記発光素子の光出力をオン／オフ制御するためのオン／オフ信号を入力とし、前記オン／オフ信号の切替に応答して、前記発光素子の駆動電流のオン／オフ切替制御を行う駆動電流切替制御部と、
周囲温度を検出し、この検出された周囲温度に応じて調整された前記駆動電流を生成する駆動電流調整生成部と、
を備えることを特徴とする光送信器。
前記駆動電流切替制御部は、カレントミラー回路と、このカレントミラー回路に接続された差動回路と、を備え、
前記カレントミラー回路は、前記駆動電流調整生成部にて生成され前記駆動電流調整生成部から入力された前記駆動電流を前記差動回路に供給し、
前記差動回路は、前記カレントミラー回路から前記発光素子へ出力される前記駆動電流を、前記オン／オフ信号に応じて制御することを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
前記入力信号の先頭位置を示す識別信号を検出し、この検出に同期して前記オン／オフ信号を生成し前記駆動電流切替制御部に出力する信号先頭検出回路をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光送信器。