KR101184836B1 - 반도체 레이저 구동 장치, 반도체 레이저 구동 방법, 광 송신 장치, 광 배선 모듈, 및 전자 기기 - Google Patents

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Abstract

구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 바이어스 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 선형 함수가 되도록 바이어스 전류값을 설정하는 바이어스 전류 설정부(232)와, 구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 구동 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 구동 전류값을 설정하는 구동 전류 설정부(233)를 구비한다. 또한, 바이어스 전류의 온도 특성과 구동 전류의 온도 특성은 서로 다른 함수가 된다. 이에 의해, 반도체 레이저의 저비용화, 공간 절약화, 저전력화를 가능하게 하고, 또한 반도체 레이저의 구동에 있어서는 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어지는, 반도체 레이저 구동 장치를 제공할 수 있다.

Description

반도체 레이저 구동 장치, 반도체 레이저 구동 방법, 광 송신 장치, 광 배선 모듈, 및 전자 기기{SEMICONDUCTOR LASER DRIVE APPARATUS, SEMICONDUCTOR LASER DRIVE METHOD, OPTICAL TRANSMITTER, OPTICAL WIRING MODULE, AND ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은, 휴대 전화를 비롯한 정보 전달 장치 내의 회로 기판 사이를, 광 신호의 전송에 의해 데이터 통신을 행할 때, 광원으로서 이용되는 반도체 레이저의 구동 장치에 관한 것이다.
현재, 광 통신, 광 네트워크, 광 인터커넥션 등, 고속으로 대용량의 데이터 통신이 가능한 광 통신망이 확대되고 있다. 그리고 전자 기기 내의 기판 사이에서의 데이터 통신을 광 통신망에 의해 행하는 경우는, 예를 들어 하기와 같은 방법에 의해 통신을 행한다.
즉, 전자 기기 내에 있어서의 복수의 기판을, 광 배선 모듈에 의해 접속한다. 그리고 상기 복수의 기판 사이에서, 상기 광 배선 모듈을 통해, 예를 들어 1㎓의 광 신호를 전송함으로써, 기판 사이에서의 데이터 통신을 행하고 있다.
그리고 최근에는, 이러한 방법에 의해 광 통신망을 형성하는 경우의 광원으로서, 면 발광 반도체 레이저를 이용하는 방법이 주목받고 있다.
면 발광 반도체 레이저는, 통칭 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser : 빅셀)이라 불리고, 반도체 웨이퍼에 대해 수직으로 출사되는 레이저광이다. 이 면 발광 반도체 레이저는, 종래 사용되어 온 단부면 발광형(반도체 웨이퍼에 대해 평행하게 출사되는 레이저광)과 비교하여, 낮은 소비 전력에 의해 높은 광 출력을 얻을 수 있거나, 1차원 또는 2차원 어레이를 용이하게 작성할 수 있으므로, 다채널의 광 통신망에의 적용이 가능한 등, 여러가지 이점을 갖는다. 그로 인해, 면 발광 반도체 레이저는, 광 섬유, 광 LAN(local area network)을 비롯하여, 다채널의 광 인터커넥션, 2차원의 병렬 광 연산용의 광원으로서도 적합한 이용이 기대되고 있다.
그런데, 상술한 바와 같이, 광 통신망은 다종 다양한 분야에 있어서 적용하는 것이 가능하며, 다양한 조건하에서 사용된다. 그로 인해, 면 발광 반도체 레이저는, 어떠한 조건하에 있어서도 양호하게 구동하는 것이 요구된다. 그리고 그것을 위해서는, 면 발광 반도체 레이저 자체의 개량도 당연히 필요하지만, 그와 동시에 면 발광 반도체 레이저를 구동하는 방법에 대해서도 충분히 고려해야 한다.
여기서, 일반적인 면 발광 반도체 레이저의 구동 방법에 대해 도 21을 이용하여 간단하게 설명한다.
도 21의 (a)는, 송신측에 있어서의 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워와 전류값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 21의 (a)에 나타내는 바와 같이, 면 발광 반도체 레이저는, 임계값 전류를 상회하면 발진 동작을 개시한다. 면 발광 반도체 레이저는 발진 동작을 개시하면, 바이어스 전류("0"의 신호를 출력하기 위해 필요한 전류값 이하의 전류)와 발진시에 있어서 광 신호의 변조 동작시에 발생하는 구동 전류(변조 전류, "0"의 신호를 출력하기 위해 필요한 전류값 이상, "1"의 신호를 출력하기 위해 필요한 전류값 이하의 전류)를 이용하여 직접 변조를 행한다. 즉, 바이어스 전류와 구동 전류를 절환함으로써, "1" 및 "0"의 2값의 신호를 생성한다. 그리고 직접 변조에 의해 생성된 상기 2값의 신호를 수신측으로 전송한다.
또한, 도 21의 (b)는, 수신측에 있어서의 면 발광 반도체 레이저의 전송 특성을 나타내는 도면이다.
구체적으로 도 21의 (b)는, "아이패턴"이라 불리고, 상기 2값의 신호의 상승 및 하강의 모습을 나타내고 있다. 이 아이패턴은, 수신측이 상기 "0"의 신호를 수신한 경우에 있어서의 수신 특성과 "1"의 신호를 수신한 경우에 있어서의 수신 특성을 겹친 도면이다. 도 21의 (b)와 같이, 아이패턴의 개구율이 비교적 큰 경우, 송신측에 있어서, 전기 신호를 광 신호로서 출력할 때까지의 시간(발진 지연 시간)이 짧아, 수신측에서 양호한 전송 특성이 얻어져 있다고 할 수 있다. 반대로, 발진 지연 시간이 길어지면, 아이패턴의 개구율이 작아진다. 그리고 이것은, 수신측에서의 신호 품질이 흐트러져 있는 것을 의미한다. 또한, 아이패턴의 개구율은, 아이패턴에 있어서 수신측이 상기 "0"의 신호를 수신한 경우에 있어서의 수신 특성 및 "1"의 신호를 수신한 경우에 있어서의 수신 특성을 나타내는 2개의 파형에 의해 눈과 같이 둘러싸인 부분을 의미하고, 육각형의 패턴(아이마스크라 불림)에 의해 각 규격이 큰 사양이 규정된다.
면 발광 반도체 레이저에 있어서는, 바이어스 전류와 임계값 전류의 관계가, 구동 특성에 큰 영향을 미친다. 통상은, 바이어스 전류가 임계값 전류에 비해 크면 클수록, 광 신호인 출력광의 소광비(ON 상태의 출력광의 파워와, OFF 상태의 출력광의 파워의 비)는 작아져, 특성이 악화된다. 반대로, 바이어스 전류가 임계값 전류에 비해 작으면 작을수록, 발진 지연 시간이 길어진다. 즉, 수신측의 전송 특성이 흐트러져, 데이터 통신에 문제가 발생한다.
덧붙여, 임계값 전류는 온도에 대한 의존성이 매우 강해, 동일한 출력광의 파워가 얻어지는 경우라도, 면 발광 반도체 레이저를 구동하는 온도(구동 온도)에 따라 임계값 전류는 크게 상이하다.
이상의 점에서, 면 발광 반도체 레이저를 구동 온도의 변화에 관계없이 양호하게 구동시키기 위해서는, 바이어스 전류와 임계값 전류와 구동 전류의 관계를 충분히 적절하게 설정할 필요가 있다.
여기서, 바이어스 전류와 임계값 전류와 구동 전류의 관계를 고려한 구동 방법의 공지예를 간단히 설명하면, 예를 들어 하기의 2개의 방법을 들 수 있다.
첫 번째 방법은, 특허 문헌 1에 개시하는 발명과 같이, 바이어스 전류는 APC(automatic power control) 회로에 의해, 전류값 일정하게 유지한다. 그리고 구동 전류의 온도 특성을 복수의 선형 특성을 합성함으로써 나타내고, 구동 전류 자체의 특성을 exp 함수에 의해 근사한다. 또한, 두 번째 방법은, 특허 문헌 2에 개시하는 발명과 같이, 바이어스 전류 및 구동 전류의 한쪽 또는 양쪽을, 각각 2개의 전류원에 의해 구동한다. 그리고 이들 온도 특성 및 전류 특성을 exp 함수에 의해 근사한다. 이들 방법에 의해, 임계값 전류와 슬로프 효율(전류값을 바이어스 전류로부터 구동 전류로 상승시켰을 때의, 전류값의 변동에 대한 출력광의 파워의 변동의 기울기)을 exp 함수로 표현하는 것이 가능해진다. 그리고 그들 전류값을 구동 온도에 대응하여 제어함으로써, 구동 온도의 변화에 관계없이 출력광의 파워가 일정해진다.
그러나 상기한 특허 문헌 1?2에 개시하는 발명은, 임계값 전류가 exp 함수로 근사할 수 없는 온도 특성을 갖는 경우에는 적용할 수 없다고 하는 문제가 있다. 또한, 임계값 전류의 온도 특성과 슬로프 효율의 온도 특성이 크게 상이한 경우에 있어서는, 출력광의 파워가 더욱 불안정해져 버린다고 하는 문제가 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하는 방법으로서 특허 문헌 3에서는, 소광비 및 발진 지연 시간에 대해 원하는 값을 확보하면서 구동 전류를 저감시키는 것을 목적으로 한 반도체 레이저의 구동 방법에 관한 발명이 개시되어 있다.
특허 문헌 3에 개시하는 발명에서는, 우선 하기의 조건 〔A〕내지〔C〕를 설정한다.
조건〔A〕: 구동 범위에 있어서, 온도를 소정값 이하로 유지한다(구동 온도 범위)
조건〔B〕: 구동 온도 범위의 하한에 있어서, 소광비를 일정하게 한다
조건〔C〕: 구동 온도 범위의 상한에 있어서, 발진 지연 시간을 일정하게 한다
구체적으로는, 상기 조건〔A〕로서 레이저의 신뢰성 등의 조건에 의해 결정되는 활성층 온도의 상한을 정하는 수식 (A),
Figure 112010006216976-pct00001
… (A)
를, 상기 조건〔B〕로서 구동 온도 범위 하한 온도에 있어서의 소광비 일정의 조건을 정하는 수식 (B),
Figure 112010006216976-pct00002
… (B)
를, 상기 조건〔C〕로서 구동 온도 범위 상한 온도에 있어서의 발진 지연 시간 일정의 조건을 정하는 수식 (C),
Figure 112010006216976-pct00003
… (C)
를, 각각 설정한다.
[단, Toh: 주위 온도의 상한, ΔT(Id):반도체 레이저에 구동 전류(Id)를 흘리는 것에 기인하는 활성층의 온도 상승, TH:신뢰성 등의 조건에 의해 정해지는 활성층의 온도가 만족해야 할 상한, R:원하는 소광비, Ib:바이어스 전류, Id:구동 전류, Ith(TL):적용 온도 범위 중 하한 온도에 있어서의 임계값 전류, Td:발진 지연 시간, T0:원하는 발진 지연 시간].
그리고 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을, 이들 조건〔A〕내지〔C〕를 모두 만족하는 전류값으로 고정한다.
이러한 구동 방법에 의해, 특허 문헌 3에서는, 소광비 및 발진 지연 시간에 관하여, 광 통신망이 원하는 값을 확보하면서 구동 전류를 저감시키고, 또한 출력광의 파워를 일정하게 하고 있다.
특허문헌1:일본공개특허공보「일본특허출원공개평3-133187호공보(공개일:1991년6월6일)」 특허문헌2:일본공개특허공보「일본특허출원공개평10-209538호공보(공개일:1998년8월7일)」 특허문헌3:일본공개특허공보「일본특허출원공개평5－190947호공보(공개일:1993년7월30일)」
그러나 특허 문헌 3에 개시하는 기술은, 소비 전력을 저감시키는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있다.
즉, 특허 문헌 3에서는, 원하는 소광비를 확보하고, 또한 발진 지연 시간을 충분히 저감하기 위해 필요한, 상기 조건〔A〕내지〔C〕에 의해 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값의 영역을 설정하고 있다. 그리고 구동 전류값 및 바이어스 전류값을 각각, 상기 영역 내에 있어서의 최소의 구동 전류값 및 당해 구동 전류가 되는 경우에 있어서의 바이어스 전류값으로 고정하고 있다.
이때, 구동 온도가 고온인 경우, 바이어스 전류가 임계값 전류보다도 하회한다. 그리고 바이어스 전류가 임계값 전류보다도 하회하면, 1Gbps 오더의 고속 전송을 행하는 경우에 발진 지연이 발생하여, 레이저의 구동 자체가 불가능해져, 전송을 할 수 없게 된다고 하는 문제가 발생한다.
또한, 이 문제를 방지하기 위해서는, 바이어스 전류를 크게 할 필요가 있지만, 바이어스 전류를 크게 하면, 상술한 바와 같이 소광비가 작아져 버린다. 그로 인해, 구동 온도가 저온인 경우에 소광비를 확보하기 위해 최저한 필요한 구동 전류는 매우 커지고, 이것에 의해 소비 전력이 대폭으로 증가해 버린다고 하는 문제가 발생한다.
덧붙여, 이러한 구동 온도와 바이어스 전류의 사이에 발생하는 문제에의 대책 방법으로서는, APC 회로나 ATC(automatic temperature control) 회로를 부가하는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 이들 APC 회로나 ATC 회로는, 회로 구성이 복잡하고, 또한 회로 규모도 비교적 크기 때문에, 이들 회로를 부가한 경우, 소비 전력, 비용, 장치 전체의 규모 전부가 증대된다. 그로 인해, 휴대 전화를 비롯한 일반 소비자 대상의 정보 전달 장치에의 도입에는 부적합하다.
본 발명은, 상기한 문제점에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은 반도체 레이저의 저비용화, 공간 절약화, 저전력화를 가능하게 하고, 또한 반도체 레이저의 구동에 있어서는 전체 구동 온도 범위에 걸쳐 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어지는, 반도체 레이저 구동 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 과제를 해결하기 위해, 반도체 레이저에 대해 변조 신호에 기초하여 바이어스 전류, 또는 바이어스 전류 및 구동 전류를 인가함으로써, 당해 반도체 레이저로부터 광 신호를 출력시키는 구동 수단과, 상기 구동 수단에 인가하는, 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 제어하는 출력 조정 수단을 구비하고, 상기 출력 조정 수단은 상기 반도체 레이저의 구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 바이어스 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하는 바이어스 전류 설정 수단과, 상기 구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 구동 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 구동 전류값을 설정하는 구동 전류 설정 수단을 구비하고, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성과 상기 구동 전류값의 온도 특성을 서로 다른 함수로 하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법은, 상기 과제를 해결하기 위해, 반도체 레이저에 대해 변조 신호에 기초하여 바이어스 전류, 또는 바이어스 전류 및 구동 전류를 인가함으로써, 당해 반도체 레이저로부터 광 신호를 출력시키는 구동 스텝과, 상기 구동 스텝에서 인가하는, 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 제어하는 출력 조정 스텝을 포함하고, 상기 출력 조정 스텝에서는, 상기 반도체 레이저의 구동 온도에 기초하여 당해 구동 온도에 대한 바이어스 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하고, 상기 구동 온도에 기초하여 당해 구동 온도에 대한 구동 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 구동 전류값을 설정하고, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성과 상기 구동 전류값의 온도 특성을 서로 다른 함수로 하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 구성에 따르면, 반도체 레이저 자신의 구동 온도(구동 온도)에 기초하여, 구동 온도에 대한 바이어스 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 바이어스 전류값을 설정한다. 또한, 상기한 구성에 따르면, 구동 온도에 기초하여 구동 온도에 대한 구동 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 구동 전류값을 설정한다.
종래의 구성의 경우, 구동 온도가 고온인 경우에는 발진 지연이 발생하고, 저온인 경우에는 소광비가 저하됨으로써 소비 전력이 증대하고 있었다.
한편, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 구동 온도에 대한 바이어스 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 선형 함수가 되도록 바이어스 전류값을 제어한다.
그로 인해, 안정된 전송 특성에 의해 반도체 레이저를 구동하기 위해 필요 최저한의 바이어스 전류값에 의해, 반도체 레이저를 구동할 수 있다. 즉, 큰 바이어스 전류가 필요한 경우는, 바이어스 전류값을 크게 함으로써 발진 지연의 위험성을 저감시킬 수 있다. 또한, 작은 바이어스 전류라도 상관없는 경우는, 바이어스 전류값을 작게 함으로써 소비 전력을 삭감할 수 있다.
또한, 바이어스 전류값의 온도 특성과 구동 전류값의 온도 특성은, 각각 상이한 함수가 된다. 이하, 이 이유에 대해 설명한다.
종래에 있어서 사용되는 단부면 발광형의 반도체 레이저에서는 일반적으로, 임계값 전류값의 온도 특성은, 슬로프 효율의 온도 특성과 동일한 파라미터(반도체 레이저의 최대 이득의 온도 특성)에 기초하여 결정되므로, 임계값 전류 및 슬로프 효율의 온도 특성은 대략 동일한 특성을 가진다고 인정된다. 따라서, 단부면 발광형의 반도체 레이저에 있어서는, 바이어스 전류값의 온도 특성과 구동 전류값의 온도 특성을, 각각 상이한 함수로 할 필요는 없었다.
한편, 본 발명에 있어서 적절하게 사용되는 면 발광 반도체 레이저는, 슬로프 효율의 온도 특성과 임계값 전류값의 온도 특성이, 서로 다른 파라미터에 기초하여 결정된다.
구체적으로는, 슬로프 효율의 온도 특성은, 상기 단부면 발광형의 반도체 레이저와 마찬가지로, 면 발광 반도체 레이저의 최대 이득의 온도 특성에 기초하여 결정된다. 한편, 임계값 전류의 온도 특성은, 면 발광 반도체 레이저의 최대 이득의 온도 특성 및 이득 스펙트럼의 온도 특성에 기초하여 결정된다. 이에 의해, 임계값 전류의 온도 특성은, 종축이 당해 임계값 전류값이고 횡축이 당해 구동 온도인 그래프에 있어서 아래로 볼록한 곡선이 되는(즉, 임계값 전류의 온도 특성은 극값을 갖는) 경우가 많다.
이로 인해, 임계값 전류값의 온도 특성은, 슬로프 효율의 온도 특성과 상이한 온도 특성을 갖는다. 그리고 임계값 전류의 온도 특성과 슬로프 효율의 온도 특성이 상이한 경우에 있어서는, 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 서로 다른 함수로 함으로써 구동 온도의 변화에 기인하는, 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워의 변동을 억제하는 것이 가능해지는 경우가 많다.
이상의 점으로부터, 바이어스 전류의 온도 특성과 구동 전류의 온도 특성은, 서로 다른 함수로 하는 것이 중요하다. 그리고 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치에서는, 구동 수단과 출력 조정 수단을 이용함으로써, 바이어스 전류값과 구동 전류값을 각각 독립적으로 결정하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치에서는, 구동 수단과 출력 조정 수단을 이용함으로써, 바이어스 전류값과 구동 전류값을 각각 다른 함수로 하는 것이 가능하다.
따라서, 반도체 레이저의 저비용화, 공간 절약화, 저전력화를 가능하게 하고, 또한 반도체 레이저의 구동에 있어서는, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어진다고 하는 효과를 발휘한다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단은, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 선형 함수가 되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하는 것을 특징으로 해도 좋다. 또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단은, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성이, 적어도 구동 온도 범위 내의 하한 온도로부터 당해 구동 온도 범위 내에 있어서의 소정의 온도까지의 사이를 선형으로 변화시키는 제1 선형 함수와, 당해 소정의 온도로부터 당해 구동 온도 범위 내의 상한 온도까지의 사이를 선형으로 변화시키는 동시에, 당해 제1 선형 함수와는 기울기가 상이한 제2 선형 함수를 포함하는 함수가 되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하는 것을 특징으로 해도 좋다.
상기한 구성에 따르면, 바이어스 전류 설정 수단은, 바이어스 전류값의 온도 특성을, 하나의 선형 함수, 혹은 복수의 선형 함수의 조합에 의해 설정할 수 있다. 이로 인해, 바이어스 전류 설정 수단은, 저항 등을 이용한 단순한 회로에 의해 구성할 수 있고, 또한 상기 특성은 저항의 설정값을 적절하게 변경함으로써 설정할 수 있다.
즉, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 있어서는, APC 회로, ATC 회로 등을 사용하여, 바이어스 전류값을 제어할 필요는 없다. 그로 인해, 회로 구성의 복잡화 및 회로 규모의 증대를 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법은, 소비 전력, 비용, 장치 전체의 규모의 증대를 억제할 수 있다.
또한, 바이어스 전류값의 온도 특성이, 상기 제1 선형 함수와 제2 선형 함수를 포함하는 함수(즉, 복수의 선형 함수의 조합)가 되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하는 경우는, 당해 복수의 선형 함수의 기울기를 적절하게 설정함으로써, 가일층의 소비 전력의 삭감이 가능하다. 예를 들어, 바이어스 전류값의 온도 특성을, 구동 온도 범위 내의 상한 및 하한에 있어서의 바이어스 전류값이 소정의 선형 함수(또한, 당해 소정의 선형 함수는, 구동 온도 범위 전역에 걸쳐 선형의 함수인 것으로 함)와 동일한 동시에, 상기 제1 선형 함수의 기울기가 제2 선형 함수의 기울기보다도 작은 제1 선형 함수 및 제2 선형 함수로 이루어지는 온도 특성으로 함으로써, 당해 소정의 선형 함수보다도 바이어스 전류에 기인하는 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 자신의 구동 온도에 대한 임계값 전류값의 온도 특성이, 종축이 당해 임계값 전류값이고 횡축이 당해 구동 온도인 그래프에 있어서 아래로 볼록한 곡선이 되는 반도체 레이저의 구동 장치로서 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 이 반도체 레이저의 구동 온도에 대한 임계값 전류값의 온도 특성의 극값은, 당해 반도체 레이저의 에피택셜 구조 및 공진기 길이에 의해 임의로 설정하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단의 구동 전류 설정 수단은, 상기 구동 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 선형 함수가 되도록 당해 구동 전류값을 설정하는 것을 특징으로 하고 있다.
구동 전류값을, 구동 온도에 대해 비선형으로, 나아가서는 구동 전류값을, 구동 온도에 관계없이 임의로 변화시키는 구성으로서는 예를 들어, APC 회로를 사용하는 것을 들 수 있다. 그러나 이러한 종류의 회로는 상술한 바와 같이, 회로 구성이 복잡하고, 또한 회로 규모도 비교적 크다. 그로 인해, 이러한 종류의 회로를 이용한 경우는, 소비 전력, 비용, 장치 전체의 규모 전부가 증대되므로, 적합하지 않다.
따라서, 구동 전류 설정 수단은, 구동 전류값의 온도 특성이 구동 온도에 대해 선형의 함수가 되도록 구동 전류값을 설정하는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이 구성에 따르면, 구동 전류 설정 수단은, 저항 등을 이용한 매우 단순한 회로에 의해 실현이 가능해지므로, 소비 전력, 비용 및 장치 전체의 규모의 증대를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단은, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성[Ib(T)]을, Ib(T)＝rb?(T－Tr)＋Ib(Tr)로 설정하고, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기(rb)를, rb＝〔Ith(Th)－Ith(Tl)±γ〕/ΔT로 설정하는 것을 특징으로 하고 있다. 단, T는 구동 온도이고, Tr은 상온이고, Ib(Tr)는 상온(Tr)에 있어서의 바이어스 전류이고, Ith(Th)는 구동 온도 범위 내의 상한 온도(Th)에 있어서의 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값이고, Ith(Tl)는 구동 온도 범위 내의 하한 온도(Tl)에 있어서의 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값이고, ΔT는 구동 온도 범위(즉, Th－Tl)이고, γ는 소정의 바이어스 전류값이고, 또한 Ith(Th)－Ith(Tl)±γ≠0으로 설정된다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치의 출력 조정 수단은, 바이어스 전류 설정 수단에 의해 바이어스 전류값의 온도 특성[Ib(T)] 및 바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기(rb)를, 상기 수식을 만족하는 값으로 설정한다. 이에 의해, 바이어스 전류값은, 구동 온도 범위의 상한 및 하한에 있어서, 발진 지연에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생하지 않을 정도의 크기가 된다. 면 발광 반도체 레이저는, 임계값 전류값의 온도 특성이 극값을 갖는 경우가 많다. 그로 인해, 구동 온도 범위 내에 있어서 임계값 전류가 최대가 되는 온도는, 구동 온도 범위 내의 상한 온도(Th), 혹은 구동 온도 범위 내의 하한 온도(Tl)가 된다. 그로 인해, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치의 출력 조정 수단은, 바이어스 전류 설정 수단에 의해 바이어스 전류값의 온도 특성[Ib(T)] 및 바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기(rb)를, 상기 수식을 만족하는 값으로 설정한다. 이에 의해, 구동 온도 범위의 전체 범위에 있어서, 발진 지연에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생할 위험성을 저감시킬 수 있는 동시에, 반도체 레이저 구동시에 있어서의 소비 전력을 삭감할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단의 구동 전류 설정 수단은, 상기 구동 전류값의 온도 특성을, 반도체 레이저의 전류값을 바이어스 전류로부터 구동 전류로 상승시켰을 때의, 전류값의 변동에 대한 당해 반도체 레이저로부터의 출력광의 파워의 변동의 기울기인 슬로프 효율에 대해 대략 반비례가 되는 함수 혹은 당해 함수를 근사한 근사 직선으로 하는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 반도체 레이저는, 상기 광 신호를 수신하는 수광 소자를 구비하는 광 수신 장치에 대해 당해 광 신호를 출력하는 것이고, 상기 출력 조정 수단의 구동 전류 설정 수단은, 상기 구동 전류값의 온도 특성을, 반도체 레이저의 전류값을 바이어스 전류로부터 구동 전류로 상승시켰을 때의, 상기 수광 소자에 있어서의 수광량에 대해 대략 반비례가 되는 함수 혹은 당해 함수를 근사한 근사 직선으로 하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 구성에 따르면, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성[Ib(T)]이 상기한 조건을 만족하는 경우, 구동 전류값의 온도 특성이 상기한 함수 혹은 당해 함수를 근사한 근사 직선에 의해 나타내어지는 특성을 가짐으로써, 반도체 레이저의 출력광의 파워의 변동을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 반도체 레이저는 상기 광 신호를 수신하는 수광 소자와 당해 수광 소자가 수신한 광 신호를 증폭하는 수신측 집적 회로를 구비하는 광 수신 장치에 대해, 당해 광 신호를, "1" 및 "0"으로 이루어지는 2값의 신호로서 출력하는 것이고, 상기 출력 조정 수단은, 상기 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을, 구동 온도 범위 내에 있어서 상기 반도체 레이저로부터의 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도에 있어서의, 상기 "1"의 신호를 출력하는 경우에 있어서의 출력광의 파워와, 상기 "0"의 신호를 출력하는 경우에 있어서의 출력광의 파워의 비인 소광비가 소정값 이상의 값인 제1 조건과, 상기 구동 온도 범위 내의 소정의 영역에 있어서, 상기 바이어스 전류값이 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값 이상인 제2 조건과, 상기 구동 온도 범위 내의 전역에 있어서, 상기 광 수신 장치의 수광 소자에 있어서의 상기 광 신호의 수광량이, 상기 광 수신 장치의 수신측 집적 회로의, 수광이 가능한 입사광의 최소 파워인 최소 수광 감도 이상이 되는 제3 조건을 만족하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 광 신호를 수신하는 수광 소자와 당해 수광 소자가 수신한 광 신호를 증폭하는 수신측 집적 회로를 구비하는 광 수신 장치에 대해, 당해 광 신호를, "1" 및 "0"으로 이루어지는 2값의 신호로서 출력하는 반도체 레이저에 설치된다. 또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치의 출력 조정 장치는, 상기한 제1 내지 제3 조건을 정하고, 바이어스 전류값 및 구동 전류값을, 당해 제1 내지 제3 조건을 만족하는 값으로 설정한다.
종래의 구성의 경우는, 바이어스 전류값 및 구동 전류값을, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐 소광비가 소정값 이상이 되는 값으로 설정하고 있었다. 그로 인해, 임계값 전류의 온도 특성이 극값을 갖는 경우, 출력광의 파워가 큰 상온 부근에 있어서는, 바이어스 전류값 및/또는 구동 전류값이 불필요하게 커지고, 그것에 의해 소비 전력이 증대되어 버린다고 하는 문제가 있었다.
한편, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치의 출력 조정 수단은, 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도에서, 광 수신 장치에 의한 출력광의 수신이 가능한 만큼의 소광비를 확보하도록 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 설정하고 있다. 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도에 있어서, 광 수신 장치에 의한 출력광의 수신이 가능한 만큼의 소광비를 확보해 두면, 자연히 구동 온도 범위의 전체 범위에 걸쳐, 출력광의 수신이 가능한 만큼의 소광비를 확보할 수 있다. 상기 소광비가 작아지면, 광 수신 장치의 수신측 집적 회로는 최소 수신 감도가 열화되므로, 파워가 약한 광을 적절하게 수신할 수 없게 되지만, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치에서는 반도체 레이저의 출력광의 파워가 최소가 되는 온도에 있어서, 광 수신 장치에 있어서 수광이 가능한 정도의 소광비를 확보하므로, 광 수신 장치는, 가령 파워가 약한 광이라도 적절하게 수신할 수 있다.
따라서, 반도체 레이저의 저비용화, 공간 절약화, 저전력화를 가능하게 하고, 또한 반도체 레이저의 구동에 있어서는, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어진다고 하는 효과를 발휘한다. 또한, 소광비가 비교적 큰 상온 부근에 있어서, 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 더욱 작게 하는 것이 가능하고, 그것에 의해 소비 전력을 더욱 삭감할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단 및 구동 전류 설정 수단은, 상기 제1 조건을 만족하는, 상기 구동 온도 범위 내에 있어서 상기 반도체 레이저로부터의 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도(Tw)에 있어서의 바이어스 전류값[Ib(Tw)] 및 구동 전류값[Im(Tw)]을, 하기 수식〔Ib(Tw)＋Im(Tw)－Ith(Tw)〕/〔Ib(Tw)－Ith(Tl)〕≥E에 의해 결정하고, 상기 제3 조건을 만족하는, 상기 구동 온도 범위 내에 있어서 상기 반도체 레이저로부터의 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도(Tw)에 있어서의 바이어스 전류값[Ib(Tw)] 및 구동 전류값[Im(Tw)]을, 하기 수식 Im(Tr)≥－Ib(Tr)＋(r2－r1)?(Tw－Tr)＋Ith(Tw)＋(Pmin/αη)에 의해 결정하고, 상기 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을, 상기 반도체 레이저를 내장하는 송신측 집적 회로의 특성에 의해 정해지는, 상기 바이어스 전류값의 상한값 및 구동 전류값의 상한값을 결정하는 제4 조건을 또한 만족하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하고 있다. 단, Ith(Tw)는 Tw에 있어서의 반도체 레이저의 임계값 전류값이고, E는 광 수신 장치에 의한 출력광의 수신이 가능한 소광비의 최소값이고, r2는 구동 전류값의 온도 특성의 기울기이고, r1은 바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기이고, Pmin은 최소 수광 감도이고, α는 반도체 레이저와 광 수신 장치의 수광 소자의 사이의 경로에 있어서의 광 손실이고, η은 슬로프 효율이다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 출력 조정 장치의 바이어스 전류 설정 수단 및 구동 전류 설정 수단에 의해, 제1 및 제3 조건을 만족하는, 구동 온도 범위 내에 있어서 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도(Tw)에 있어서의 바이어스 전류값[Ib(Tw)] 및 구동 전류값[Im(Tw)]을 상기 수식을 만족하는 값으로 설정한다. 구동 온도 범위 내에 있어서 소광비가 최소가 되는 구동 온도(Tw)에서 있어서, 광 수신 장치에 의한 출력광의 수신을 가능하게 해 둠으로써, 당해 출력광의 파워가, 광 수신 장치에 있어서 출력광의 수신이 가능한 범위(다이나믹 레인지)를 전체 구동 온도 범위 이상의 범위로 유지한다. 이에 의해, 구동 온도 범위의 전체 범위에 걸쳐, 소광비의 저하에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생하는 일 없이 반도체 레이저를 구동시킬 수 있다.
또한, 반도체 레이저를 내장하는 송신측 집적 회로에는, 당해 송신측 집적 회로가 출력 가능한, 바이어스 전류값 및 구동 전류값의 상한값이 존재한다. 이 상기 송신측 집적 회로에 의해 결정되는 바이어스 전류값 및 구동 전류값의 상한값을, 제4 조건으로서 설정 조건에 추가함으로써, 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 바이어스 전류값의 설정값을, 보다 적절하게 설정할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단은 상기 구동 온도 범위 내에 있어서 상기 반도체 레이저로부터의 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도를, 당해 구동 온도 범위 내의 하한 온도 혹은 상한 온도와 일치시키도록 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 제어하는 것을 특징으로 하고 있다.
임계값 전류값의 온도 특성이 상온 부근에 극값을 갖는 경우, 소광비가 일정[예를 들어, 소정의 소광비(E)]해지도록 구동 전류값의 온도 특성은, 상온 부근을 극대값으로 하는 위로 볼록한 곡선으로 나타내어진다. 이에 의해, 구동 온도 범위 내에 있어서의 상한 온도 혹은 하한 온도에 근접함에 따라, 출력광의 파워는 저하된다. 이것으로부터, 임계값 전류값의 온도 특성이 상온 부근에 극값을 갖는 경우, 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도는 항상, 구동 온도 범위 내의 상한 온도 및 하한 온도(Tl) 중 어느 하나가 된다. 즉, 구동 온도 범위 내의 상한 온도 및 하한 온도 중, 당해 온도에 있어서의 출력광의 파워가 보다 작아지는 온도에 있어서, 광 수신 장치에 의한 출력광의 수신이 가능한 소광비(E)를 확보하면 좋다. 또한, 소광비가 최소가 되는 상온 부근에 있어서는, 출력광의 파워가 최대가 되므로, 광 수신 장치에 의한 출력광의 수신에 지장을 초래하는 일은 없다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단은, 구동 온도 범위 내의 하한 온도와 상한 온도에 있어서, 상기 바이어스 전류값을 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값과 일치시키는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단에 의해, 구동 온도 범위 내의 하한 온도에 있어서, 임계값 전류값과 바이어스 전류값을 일치시키는 동시에, 구동 온도 범위 내의 상한 온도에 있어서, 임계값 전류값과 바이어스 전류값을 일치시킨다. 즉, 구동 온도 범위 내의 하한 온도 및 상한 온도에 있어서, 임계값 전류값의 온도 특성을 나타내는 곡선과 바이어스 전류값의 온도 특성을 나타내는 직선을 교차시킨다. 또한, 이때의 바이어스 전류의 기울기가, 발진 지연이나 소광비의 저하에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생하는 일 없이, 전력 소비를 가장 저감할 수 있는 바이어스 전류의 기울기가 된다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단 및 구동 전류 설정 수단은, 상기 구동 온도 범위 내의 하한 온도 혹은 상한 온도에 있어서, 상기 바이어스 전류값을 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값과 일치시키는 동시에, 상온에 있어서의 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을, Im(Tr)＝－Ib(Tr)＋(r2－r1)?(Tw－Tr)＋Ith(Tw)＋(Pmin/αη) 또한, Im(Tr)＝Im(Tw)－r2(Tw－Tr)의 관계를 만족하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 구성에 따르면, 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단 및 구동 전류 설정 수단에 의해, 상온에 있어서의 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을, 상기한 관계를 만족하는 전류값으로 설정한다. 또한, 이때의 바이어스 전류값 및 구동 전류값의 설정값은, 발진 지연이나 소광비의 저하에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생하는 일 없이, 전력 소비를 가장 저감할 수 있는 바이어스 전류값 및 구동 전류값의 설정값이 된다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단 및 구동 전류 설정 수단은, 상기 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을, 상온에 있어서의 소광비(Er)가 소정값 이상의 값이 되는 제4 조건을 또한 만족하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하고 있다. 단, 상온에 있어서의 소광비(Er)는 Er＜E의 관계를 갖는다.
반도체 레이저가 단공진기(短共振器) 구조를 갖는 타입인 경우는, 소광비가 일정[예를 들어, 소정의 소광비(E)]해지는 구동 전류의 온도 특성은, 위로 볼록한 곡선으로 나타내어진다. 특히 임계값 전류값의 온도 특성의 극값이 상온 부근에 존재하는 경우에 있어서는, 상온 부근에 있어서의 소광비는, 다른 온도에 있어서의 소광비에 비해 비교적 작은 값으로 되어 있다. 따라서, 제4 조건으로서, 상온 부근에 있어서의 소광비를, 소정의 소광비(Er) 이상의 값으로 설정함으로써, 구동 온도의 변화에 기인하는 소광비의 변화를 저감할 수 있다. 이에 의해, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 소광비의 값이 안정된다. 따라서, 수신측에서 매우 안정된 전송 특성 및 광 출력이 얻어진다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단 및 구동 전류 설정 수단은, 상기 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을, 상기 구동 온도 범위 내의 전체 범위에 있어서, 상기 출력광의 파워의 변동 폭이 소정값 이하의 값이 되는 제4 조건을 또한 만족하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 구성에 따르면, 제4 조건으로서, 구동 온도 범위의 전체 범위에 있어서, 출력광의 파워의 변동 폭이 소정값 이하의 값이 된다고 하는 조건을 정한다. 그리고 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 상기 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을, 제1 내지 제4 조건을 만족하는 값으로 설정한다. 이에 의해, 구동 온도 범위 내에 있어서의 출력 변동을 저감할 수 있다. 따라서, 출력광의 파워를, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 광 배선 모듈이 원하는 출력 변동의 범위 내로 억제할 수 있으므로, 수신측에서 매우 안정된 전송 특성 및 광 출력이 얻어진다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성[Ith(T)]이, 하기 수식 (1)에 의해 나타내어지는 것을 특징으로 하고 있다. 단, Ith(Tr)는 상온에 있어서의 반도체 레이저의 임계값 전류값이고, T01은 구동 온도에 대한 반도체 레이저의 이득 스펙트럼의 변동 폭을 규정하는 특성 온도이고, T02는 구동 온도에 대한 반도체 레이저의 최대 이득의 감소량을 규정하는 특성 온도이다.
Figure 112010006216976-pct00004
상기한 구성에 따르면, 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성은, 상기 수식 (1)에 의해 나타내어진다. 상기 수식 (1)에 기초하여 임계값 전류값의 온도 특성을 도출함으로써, 당해 임계값 전류값의 온도 특성은, 상온(Tr) 부근을 극소값으로 하는 아래로 볼록한 곡선이 된다. 또한, 반도체 레이저가 단공진기 구조를 갖는 타입의 반도체 레이저인 경우, 임계값 전류값의 온도 특성은 극값을 갖고 있는 경우가 많고, 그 극소값은 에피택셜 구조 및 공진기 길이에 의해 임의로 설정하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성[Ith(T)]이, 하기 수식 (2)에 의해 나타내어지는 것을 특징으로 하고 있다. 단, Ith(Tc)는, 온도(Tc)에 있어서의 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값이고, Tc는 Tc≤구동 온도 범위 내에 있어서의 하한 온도(Tl), 혹은 구동 온도 범위 내에 있어서의 상한 온도(Th)≤Tc의 관계를 갖는 것으로 한다.
Figure 112010006216976-pct00005
상기한 구성에 따르면, 임계값 전류값의 온도 특성이 극값이 될 때의 구동 온도는, 반드시 구동 온도 범위 내라고는 단언할 수 없다. 예를 들어, 상기 수식 (2)로 나타내는 수식에서는, 임계값 전류값의 온도 특성이 극값을 취할 때의 구동 온도는, 구동 온도 범위 이하의 온도로 설정된다. 이때, 임계값 전류값의 온도 특성은, 구동 온도 범위 이하의 온도를 극소값으로 하는 아래로 볼록한 곡선이 된다. 그리고 임계값 전류값의 온도 특성의 곡선은, 구동 온도 범위 내에 있어서 단조 증가이고, 또한 구동 온도 범위 내에 있어서 직선에 가까운 곡선이 된다. 그러면, 바이어스 전류를 상기 곡선에 보다 근접시키는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 상기 반도체 레이저의 구동 온도에 대한 임계값 전류값의 온도 특성의 변동에 대해, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기(rb)의 허용 범위가,〔Ith(Th)A－Ith(Tl)A〕/ΔT≥rb≥〔(Ith(Th)C－Ith(Tl)C)/ΔT〕－α인 것을 특징으로 하고 있다. 단, Ith(Th)A는 Ith(Th)－Ith(Tl)의 값이 가장 큰 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성에 있어서의 Ith(Th)이고, Ith(Tl)A는 Ith(Th)－Ith(Tl)의 값이 가장 큰 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성에 있어서의 Ith(Tl)이고, Ith(Th)C는 Ith(Th)－Ith(Tl)의 값이 가장 작은 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성에 있어서의 Ith(Th)이고, Ith(Tl)C는 Ith(Th)－Ith(Tl)의 값이 가장 작은 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성에 있어서의 Ith(Tl)이다. 또한,〔(Ith(Th)C－Ith(Tl)C)/ΔT〕－α≠0으로 설정된다.
바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기(rb)는, 지나치게 작은 값이 되면, 구동 온도 범위 내에 있어서의 하한 온도에 있어서 소광비가 악화되어 소비 전력이 증대되어 버린다. 반대로 지나치게 큰 값이 되면, 바이어스 전류가 구동 온도 범위 내에 있어서의 하한 온도에 있어서 임계값 전류를 크게 하회해 버려, 발진 지연에 의해 광 수신 장치측의 전송 특성이 흐트러져, 데이터 통신에 문제가 발생한다. 따라서, 상기 바이어스 전류의 기울기(rb)의 허용 범위를 상기한 바와 같이 형성함으로써, 발진 지연에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생하는 일 없이, 소비 전력을 더욱 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 광 송신 장치는, 상기 어느 하나의 반도체 레이저 구동 장치와, 자신의 구동 온도에 대한 임계값 전류값의 온도 특성이 아래로 볼록한 곡선이 되어, 상기 반도체 레이저 구동 장치로부터 입력되는 상기 바이어스 전류 및 구동 전류가 입력됨으로써 광 신호를 출력하는 반도체 레이저를 구비한다. 이러한 광 송신 장치에 있어서는, 상기 반도체 레이저 구동 장치의 출력 조정 수단은, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성을 2종류 이상 갖고, 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성의 변동에 따라서, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성이 가변인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 관한 광 배선 모듈은, 상기 광 송신 장치와, 상기 광 송신 장치가 출력한 상기 광 신호를 수신하는 광 수신 장치와, 상기 광 송신 장치와 상기 광 수신 장치를 접속함으로써, 상기 광 송신 장치와 상기 광 수신 장치의 사이에서 데이터 통신을 행하는 광 도파로를 구비하는 구성이다. 또한, 광 수신 장치는, 수신 소자 및 수신측 집적 회로를 구비하고 있어도 당연히 좋다.
또한, 당해 광 배선 모듈은, 데이터 통신을 행하기 위해 전자 기기에 구비되어도 좋다.
이에 의해, 반도체 레이저의 저비용화, 공간 절약화, 저전력화를 가능하게 하고, 또한 반도체 레이저의 구동에 있어서는, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어진다고 하는 효과를 발휘한다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 반도체 레이저에 대해, 변조 신호에 기초하여 바이어스 전류, 또는 바이어스 전류 및 구동 전류를 인가함으로써, 당해 반도체 레이저로부터 광 신호를 출력시키는 구동 수단과, 상기 구동 수단에 인가하는, 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 제어하는 출력 조정 수단을 구비하고, 상기 출력 조정 수단은 상기 반도체 레이저의 구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 바이어스 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하는 바이어스 전류 설정 수단과, 상기 구동 온도에 기초하여 당해 구동 온도에 대한 구동 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 구동 전류값을 설정하는 구동 전류 설정 수단을 구비하고, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성과 상기 구동 전류값의 온도 특성을, 서로 다른 함수로 하는 구성이다.
따라서, 반도체 레이저의 저비용화, 공간 절약화, 저전력화를 가능하게 하고, 또한 반도체 레이저의 구동에 있어서는, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어진다고 하는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태를 나타내는 것이며, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 나타내는 그래프이다.
도 2는 광 배선 모듈의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치를 구비하는 광 송신 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 일반적인 면 발광 반도체 레이저의, 임계값 전류의 온도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 일반적인 면 발광 반도체 레이저의, 슬로프 효율의 온도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태를 도시하는 것이며, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태를 도시하는 것이며, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 7에 나타내는 그래프에 있어서의, 상온에 있어서의, 바이어스 전류와 구동 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의, 상온에 있어서의, 바이어스 전류와 구동 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 9에 나타내는 바이어스 전류 및 구동 전류에 기초하여, 반도체 레이저를 구동시킨 경우에 있어서의 온도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의, 상온에 있어서의, 바이어스 전류와 구동 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의, 상온에 있어서의, 바이어스 전류와 구동 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 12에 도시하는 바이어스 전류 및 구동 전류에 기초하여, 반도체 레이저를 구동시킨 경우에 있어서의 온도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시 형태를 나타내는 것이며, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 나타내는 그래프이다.
도 15는 도 1에 나타내는 임계값 전류의 온도 특성이 변동되었을 때의, 바이어스 전류의 온도 특성의 설정 방법을 나타내는 도면이다.
도 16은 도 1에 나타내는 임계값 전류의 온도 특성이 변동된 경우에 있어서, 기울기가 최대가 되는 경우의 바이어스 전류의 온도 특성을 나타내는 도면이다.
도 17은 도 1에 나타내는 임계값 전류의 온도 특성이 변동된 경우에 있어서, 기울기가 최소가 되는 경우의 바이어스 전류의 온도 특성을 나타내는 도면이다.
도 18은 광 배선 모듈에 의해 데이터 통신을 행하는 휴대 전화의 개략도, 광 배선 모듈에 의해 데이터 통신을 행하는 휴대 전화의 내부 회로의 사시도, 광 배선 모듈에 의해 데이터 통신을 행하는 프린터의 개략도 및 광 배선 모듈에 의해 데이터 통신을 행하는 프린터의 내부 회로의 사시도이다.
도 19는 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 구비하는 광 송신 장치의 다른 회로 구성을 도시하는 블록도 및 본 발명의 다른 실시 형태를 나타내는 것이며 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 나타내는 그래프이다.
도 20은 상기 광 송신 장치를, 면 발광 반도체 레이저 구동 회로 및 면 발광 반도체 레이저로서 실현하는 경우에 있어서의 회로 구성을 도시하는 블록도이다.
도 21은 송신측에 있어서의 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워와 전류값의 관계를 나타내는 도면, 및 수신측에 있어서의 면 발광 반도체 레이저의 전송 특성을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시 형태에 대해 도 1 내지 도 20에 기초하여 설명하면 이하와 같다. 또한, 설명의 편의상, 이미 도면을 이용하여 설명한 부재와 동일한 기능을 갖는 부재에는, 동일한 부호를 부기하여 그 설명을 생략한다.
(제1 실시 형태)
도 2에는, 광 배선 모듈의 개략도를 도시하고 있다.
도 2에 도시하는 광 배선 모듈(1)은, 광 송신 장치(2), 광 수신 장치(3) 및 높은 굴곡성을 갖는 광 도파로(전송 매체)(4)를 구비하는 구성이며, 예를 들어 휴대 전화에 있어서는, 액정 드라이버 회로 기판과 신호 처리 회로 기판을 접속하고 있다.
광 송신 장치(2)는, 면 발광 반도체 레이저 구동 회로(집적 회로, 구동 수단)와 면 발광 반도체 레이저(반도체 레이저)를 구비하는 구성이다. 또한, 본 실시 형태 및 후술하는 실시 형태에서는, 광 송신 장치(2)는 반도체 레이저로서, 면 발광 반도체 레이저를 구비하는 것으로 한다. 단, 광 송신 장치(2)가 구비하는 반도체 레이저는 면 발광 반도체 레이저에 한정되는 것은 아니다. 즉, 광 송신 장치(2)가 구비하는 반도체 레이저는 예를 들어, 상술한 단부면 발광형의 반도체 레이저라도 좋다.
광 수신 장치(3)는 수광 소자와 수광 IC를 구비하는 구성이다. 또한, 수광 소자로서 이용되는 소자로서는, 포토다이오드(Photo Diode), CCD(Charge Coupled Devices), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등을 들 수 있다.
광 도파로(4)로서는 예를 들어, 굴절률이 큰 코어 및 당해 코어의 주위에 접하여 설치되는 굴절률이 작은 클래드에 의해 형성되고, 코어에 입사한 광 신호를 당해 코어와 클래드의 경계에서 전반사를 반복하면서 광 신호를 전파하는 것이 이용된다. 그러나 광 배선 모듈(1)에 적용되는 광 도파로(4)의 구성은 상기 구성에 한정되지 않고, 종래 주지의 광 도파로를 사용할 수 있다.
다음에, 도 2에 도시하는 광 배선 모듈(1)의 동작에 대해 간단하게 설명한다.
광 송신 장치(2)는, 면 발광 반도체 레이저로부터의 레이저광을, 면 발광 반도체 레이저 구동 회로에 의해 직접 변조함으로써, "1" 및 "0"의 2값의 신호로서 출력한다.
광 송신 장치(2)로부터 출력된 상기 2값의 신호는, 광 도파로(4)를 통해 광 수신 장치(3)에 입력된다.
광 수신 장치(3)는, 상기 2값의 신호를 수광 소자로 수신하고, 수광 IC에서 당해 2값의 신호를 증폭한다.
도 2의 광 배선 모듈(1)에 있어서, 그 광원에 면 발광 반도체 레이저를 이용하는 경우, 면 발광 반도체 레이저의 구동에 있어서 중요한 것은, 구동 온도의 변화에 관계없이 전송 특성이 양호한 것이다. 그리고 구동 온도의 변화에 관계없이 전송 특성을 양호하게 하기 위해서는, 면 발광 반도체 레이저의 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 광 수신 장치(3)측이 원하는 전송 특성을 만족하도록, 광 송신 장치(2)를 구동시키는 것이 중요하다고 할 수 있다. 여기서는, 광 송신 장치(2)를 상기한 바와 같이 구동시키기 위해 중요한, 바이어스 전류 및 구동 전류의 결정 방법에 대해 설명한다.
우선, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 실시하기 위해 필요한 회로 구성에 대해 서술한다.
도 3은 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치를 구비하는, 광 송신 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 3에 도시하는 광 송신 장치(2a)는, 전원(21)과 광 송신 장치 본체(22)를 구비하는 구성이다. 또한, 광 송신 장치 본체(22)는, 출력 조정 회로(출력 조정 수단)(23), 드라이버 회로(구동 수단)(24) 및 발광 소자(반도체 레이저)(25)를 구비하는 구성이다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 출력 조정 회로(23) 및 드라이버 회로(24)를 구비하는 구성이다.
전원(21)은 출력 조정 회로(23) 및 드라이버 회로(24)에 전압(Vcc)을 공급함으로써, 출력 조정 회로(23) 및 드라이버 회로(24)를 구동하기 위한 전압원이다.
출력 조정 회로(23)는 전원(21)에 의해 구동되고, 드라이버 회로(24)가 출력하는 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을, 광 송신 장치(2a) 자신의 구동 온도(구동 온도)의 변화에 따라서 변화시키는 것이다.
이 출력 조정 회로(23)로서는 예를 들어, 바이어스 전류 설정부(바이어스 전류 설정 수단)(232)와 구동 전류 설정부(구동 전류 설정 수단)(233)를 갖는 구동 제어부(231)를 구비하는 구성을 생각할 수 있다.
그리고 출력 조정 회로(23)의 동작 원리는 예를 들어, 하기의 동작 원리를 생각할 수 있다.
즉, 구동 온도에 따른 제어 전압이 바이어스 전류 설정부(232)에 인가된 경우, 바이어스 전류 설정부(232)는 당해 제어 전압을 기초로, 원하는 바이어스 전류의 온도 특성을 나타내는 신호(Vb)를 생성하고, 당해 신호(Vb)를 드라이버 회로(24)에 출력한다. 구동 전류 설정부(233)에 대해서도 마찬가지로, 상기 제어 전압이 인가된 구동 전류 설정부(233)는 당해 제어 전압을 기초로, 원하는 구동 전류의 온도 특성을 나타내는 신호(Vm)를 생성하고, 당해 신호(Vm)를 드라이버 회로(24)에 출력한다.
또한, 바이어스 전류 설정부(232) 및 구동 전류 설정부(233)의, 제어 전압에 대한 신호(Vb)(또는 Vm)의 특성은, 구동 온도 범위, 임계값 전류의 온도 특성, 상온에 있어서의 바이어스 전류 및 구동 전류의 설정값 등에 의해 임의로 결정할 수 있다. 또한, 상기한 바이어스 전류 설정부(232) 및 구동 전류 설정부(233)는, 저항 등을 이용한 단순한 회로에 의해 구성할 수 있고, 또한 상기 특성은 저항의 설정값을 적절하게 변경함으로써 설정할 수 있다.
또한, 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값의 상세한 설정 방법에 대해서는 후술한다.
드라이버 회로(24)는, 전원(21)에 의해 구동되고, 발광 소자(25)에 바이어스 전류 및 구동 전류를 출력한다. 드라이버 회로(24)에는, 상기 출력 신호(Vb 및 Vm)와, 변조 신호 신호원(도시하지 않음)으로부터의 변조 신호(Ms- 및 Ms+)가 입력된다. 드라이버 회로(24)는, 출력 신호(Vb)를 기초로 바이어스 전류(Ib)를 생성하고, 출력 신호(Vm)를 기초로 구동 전류(Im)를 생성한다. 그리고 상기 변조 신호(Ms- 및 Ms+)에 의해, 바이어스 전류(Ib)와 구동 전류(Im)를 절환함으로써 직접 변조를 행하여 "1" 및 "0"의 2값의 신호를 생성하고, 당해 2값의 신호를 발광 소자(25)에 출력한다.
발광 소자(25)는, 드라이버 회로(24)로부터의 상기 2값의 신호에 따라서 발광함으로써 광 신호를 출력하는 것이며, 당해 광 신호를 광 수신 장치(3)로 전송함으로써, 광 수신 장치(3)와의 사이에서 데이터 통신을 행한다. 또한, 이 발광 소자(25)는 임계값 전류의 온도 특성에 극값을 갖는 경우가 많다(단, 면 발광 반도체 레이저의 사용 조건에 따라서는, 임계값 전류는 극값을 갖지 않는 특성을 나타내는 경우도 있음). 본 실시 형태 및 후술하는 실시 형태에서는, 발광 소자(25)가 임계값 전류의 온도 특성에 극값을 갖는 것으로서 설명을 행하지만, 발광 소자(25)는 반드시 임계값 전류의 온도 특성에 극값을 가질 필요는 없다.
또한, 이 광 송신 장치(2a)에 대해서는, 후술하는 실시 형태에 있어서도 동일하게 사용할 수 있다. 그리고 출력 조정 회로(23)를, 각 실시 형태에 따른 구성으로 하기 위해서는, 상술한 바와 같이 바이어스 전류 설정부(232) 및 구동 전류 설정부(233)의, 제어 전압에 대한 출력 신호(Vb 및/또는 Vm)의 특성을 적절하게 각 실시 형태에 대응하는 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값이 얻어지는 특성으로 설정하면 좋다.
다음에, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치를 이용한 반도체 레이저 구동 방법을 실현하기 위한, 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성의 상세한 설정 방법에 대해 서술한다.
도 1은 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 도시하는 도면이다. 또한, 본 발명에 있어서 사용하고 있는 구동 온도 범위는 모두, -30℃ 내지 85℃인 것으로서 설명을 행한다.
도 1에 도시하는 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법은, 하기의 조건 〔1〕내지〔5〕를 만족하고 있다(단, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법에서는, 하기의 조건〔1〕?〔2〕?〔4〕에 대해서는, 반드시 만족할 필요는 없음).
조건〔1〕: 구동 온도에 대한 임계값 전류의 온도 특성(임계값 전류의 온도 특성)이 극값을 갖는다.
조건〔2〕: 구동 온도에 대한 바이어스 전류의 온도 특성(바이어스 전류의 온도 특성)은, 0 이외의 기울기를 갖는 함수(바람직하게는, 선형 함수)가 된다.
조건〔3〕: 바이어스 전류의 온도 특성과 구동 온도에 대한 구동 전류의 온도 특성(구동 전류의 온도 특성)은, 서로 다른 기울기를 갖는다.
조건〔4〕: 구동 전류의 온도 특성은, 슬로프 효율에 대해 대략 반비례가 되는 함수 또는 그 근사 직선이다.
조건〔5〕: 바이어스 전류의 온도 특성은, 임계값 전류의 온도 특성에 준하는 함수이다.
우선, 조건〔1〕에 대해서는 구체적으로, 임계값 전류의 근사값으로서, 임계값 전류(Ith)의 온도 특성[Ith(T)]을, 하기 수식 (1)을 만족하는 값으로 설정하고 있다.
Figure 112010006216976-pct00006
[단, Tr:상온(예를 들어, 25℃), Ith(Tr):상온에 있어서의 임계값 전류의 전류값, T01: 특성 온도(구동 온도에 대한 반도체 레이저의 이득 스펙트럼의 변동 폭을 규정하는 파라미터), T02:특성 온도(구동 온도에 대한 반도체 레이저의 최대 이득의 감소량을 규정하는 파라미터)].
또한, 상술한 바와 같이, 면 발광 반도체 레이저[즉, 발광 소자(25)]는, 임계값 전류의 온도 특성에 극값을 갖고 있는 경우가 많고, 당해 극값은 당해 면 발광 반도체 레이저의 에피택셜 구조 및 공진기 길이에 의해 임의로 설정하는 것이 가능하다.
상기 수식 (1)에 의해, 임계값 전류의 온도 특성은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 상온 부근을 극소값으로 하는 아래로 볼록한 곡선이 되고, 이에 의해 구동 온도 범위의 고온측 및 저온측 중 어느 것에 있어서도, 임계값 전류의 전류값은 비교적 높아진다.
또한 이때, 슬로프 효율의 온도 특성은, 도 5에 나타내는 바와 같이, exp 함수에 의해 나타낼 수 있다. 덧붙여, 이 슬로프 효율의 온도 특성은, 상술한 단부면 발광형의 반도체 레이저와 대략 동일한 특성을 갖는다.
임계값 전류가 커지면, 임계값 전류가 작은 경우에 비해, 특정한 바이어스 전류 및 구동 전류에 의해 얻어지는 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워는 작아진다. 그리고 이때, 면 발광 반도체 레이저에 의한 데이터 통신을 정확하게 실행하기 위해서는, 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워가 저하된 경우에 있어서도, 당해 파워가 다이나믹 레인지 내에 들어가 있을 필요가 있다. 그로 인해, 상기 파워의 출력 변동은, 소정값(예를 들어, 3㏈) 이하의 값으로 억제되어야 한다.
이상의 점으로부터, 상기 파워의 출력 변동을 고려한 후에, 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성을, 저소비 전력이면서도 정상적인 통신을 실행할 수 있을 정도의 크기로 결정할 필요가 있다.
또한, 여기서 주의해야 할 점으로서는, 상기 조건〔2〕에 나타내는 바와 같이, 바이어스 전류의 온도 특성은, 구동 온도에 대해 전류값을 변화시킨다고 하는 것(즉, 바이어스 전류의 온도 특성은, 0 이외의 기울기를 갖는 함수임), 바람직하게는 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성은, 구동 온도에 대해 선형의 함수가 된다고 하는 것을 들 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 있어서는, 출력 조정 회로(23)를 이용하여 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을, 온도 변화에 대해 선형으로 변화시키고 있다.
한편, 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을, 온도 변화에 대해 비선형으로, 즉 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을 온도 변화에 관계없이 임의로 변화시키는 구성으로서는 예를 들어, APC 회로를 사용하는 것을 들 수 있다. 그러나 상술한 바와 같이, APC 회로는 회로 구성이 복잡하고, 또한 회로 규모도 비교적 크다. 그로 인해, APC 회로를 이용한 경우는, 소비 전력, 비용, 장치 전체의 규모 전부가 증대되므로, 적합하지 않다.
따라서, 여기서는 바이어스 전류 및 구동 전류를, 출력 조정 회로(23)를 이용하여 제어하고, 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성은, 구동 온도에 대해 선형의 함수가 되는 것으로 하고 있다.
단, 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성은, 반드시 선형 함수로 나타낼 필요는 없고, 0 이외의 기울기를 갖는 함수이면(즉, 정전류가 아니면), 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, APC 회로 등을 사용하는 일 없이, 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성을「0 이외의 기울기를 갖는 함수」로 하는 방법으로서는 예를 들어, 후술하는 바와 같이 서로 다른 기울기를 갖는 복수의 선형 함수를 조합하는 방법을 들 수 있다.
또한, 바이어스 전류의 온도 특성과 구동 전류의 온도 특성은, 상기 조건〔3〕에 나타내는 바와 같이, 이들은 서로 다른 기울기를 갖는 직선인 것이 바람직하다.
종래에 있어서 사용되는 단부면 발광형의 반도체 레이저는 일반적으로, 임계값 전류의 온도 특성은 극값을 갖지 않는다. 이 경우, 임계값 전류 및 슬로프 효율의 온도 특성은, 서로 동일한 파라미터[exp(－T/T02)에 비례하는 함수가 되는, 반도체 레이저의 최대 이득의 온도 특성]에 기초하여 결정되므로, 임계값 전류 및 슬로프 효율의 온도 특성은, 대략 동일한 특성을 갖는다고 인정된다. 따라서, 바이어스 전류의 온도 특성과 구동 전류의 온도 특성을, 각각 상이한 기울기로 할 필요는 없다.
한편, 면 발광 반도체 레이저는, 슬로프 효율의 온도 특성과 임계값 전류의 온도 특성이, 서로 다른 파라미터에 기초하여 결정된다.
구체적으로는, 슬로프 효율의 온도 특성은, 면 발광 반도체 레이저의 최대 이득의 온도 특성에 기초하여 결정된다. 그로 인해, 슬로프 효율의 온도 특성은, 상술한 단부면 발광형의 반도체 레이저와 동일한 특성을 갖는다. 한편, 임계값 전류의 온도 특성은, 면 발광 반도체 레이저의 최대 이득의 온도 특성 및 이득 스펙트럼의 온도 특성에 기초하여 결정된다. 그로 인해, 임계값 전류의 온도 특성은 극값을 갖는(상기 조건〔1〕) 특성이 되는 경우가 많다.
이상의 점으로부터, 임계값 전류의 온도 특성과 슬로프 효율의 온도 특성은, 서로 다른 특성을 갖게 되는 경우가 많다. 그리고 여기서, 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성을, 이후에 설명하는 상기 조건〔4〕?〔5〕를 만족시키는 특성으로 하기 위해서는, 바이어스 전류 및 구동 전류를 서로 다른 기울기를 갖는 직선으로 할 필요가 있는 경우가 많다. 따라서, 상기 조건〔3〕에 나타내는 바와 같이, 바이어스 전류의 온도 특성과 구동 전류의 온도 특성은, 서로 다른 기울기를 갖는 직선인 것이 바람직하다.
또한, 광 송신 장치(2a)에서는, 출력 조정 회로(23) 및 드라이버 회로(24)를 이용하여, 바이어스 전류의 전류값과 구동 전류의 전류값을 각각 독립적으로 결정하고 있다.
따라서, 구동 전류와 바이어스 전류는, 한쪽의 전류값의 변화에 구애되지 않고, 다른 쪽의 전류값을 임의로 변화시킬 수 있다. 단, 바이어스 전류의 온도 특성을 후술하는 바와 같이 결정한 결과, 바이어스 전류의 온도 특성을, 구동 전류의 온도 특성과 동일한 기울기를 갖는 함수로서 설정할 필요가 있는 경우는, 서로 동일한 기울기를 갖는 직선이라도 상관없다.
그리고 상기 파워의 출력 변동을 고려하면, 구동 전류의 온도 특성은, 상기 조건〔4〕에 나타내는 바와 같이, 슬로프 효율에 대해 대략 반비례가 되는 함수 또는 당해 함수를 근사한 근사 직선인 것이 바람직하다. 환언하면, 구동 전류의 온도 특성은, 전류값을 바이어스 전류로부터 구동 전류로 상승시켰을 때의, 수광 소자(25)에 있어서의 수광량에 대해 대략 반비례가 되는 함수 또는 당해 함수를 근사한 근사 직선인 것이 바람직하다.
또한, 바이어스 전류의 온도 특성은, 상기 조건〔5〕에 나타내는 바와 같이, 임계값 전류의 온도 특성에 준하는 함수로 한다. 구체적으로는, 예를 들어 바이어스 전류(Ib)의 온도 특성[Ib(T)]을, 하기 수식 (11)
Figure 112010006216976-pct00007
… (11)
[단, T:면 발광 반도체 레이저의 구동 온도(이하,「구동 온도」라 함), Tr:상온, Ib(Tr):Tr에 있어서의 바이어스 전류]
을 만족하는 값으로 설정한다.
또한, 바이어스 전류[Ib(T)]의 기울기인 기울기(rb)를, 하기 수식 (12)
Figure 112010006216976-pct00008
… (12)
[단, Th:구동 온도 범위 내에 있어서의 상한 온도(즉, 85℃), Tl:구동 온도 범위 내에 있어서의 하한 온도(즉, -30℃), Ith(Th):Th에 있어서의 임계값 전류, Ith(Tl):Tl에 있어서의 임계값 전류, ΔT:구동 온도 영역(Th－Tl). 또한, rb는 0 이외의 정수로 함]
로 설정한다.
바이어스 전류가 임계값 전류보다도 크게 하회해 버리는 경우, 장시간의 발진 지연이 발생하여, 데이터 통신에 문제가 발생한다. 1Gbps 오더의 고속 전송을 행하는 경우, 이러한 발진 지연은 거의 완전히 억제될 필요가 있다. 그로 인해, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법에서는, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 항상 바이어스 전류를 임계값 전류에 추종시키고, 또한 바이어스 전류를 상술한 조건으로 설정한다.
구동 전류의 온도 특성을 상기 조건〔4〕를 만족하는 특성으로 설정하는 동시에, 바이어스 전류의 온도 특성을 상기 조건〔5〕를 만족하는 특성으로 설정함으로써, 구동 온도의 변화에 기인하는, 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워의 변동을 억제할 수 있다.
여기서, 상기 조건〔4〕?〔5〕를 만족시킴으로써 얻어지는 작용 효과에 대해 상세하게 설명한다. 여기서는, 구동 온도(T)가 특정한 구동 온도(T＋ΔT1)까지 상승한 경우에 있어서의, 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워[P(T＋ΔT1)]를 이용하여, 상기 작용 효과에 대한 설명을 행한다.
우선, 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워(P)는, 하기 수식 (13)
Figure 112010006216976-pct00009
… (13)
(단, η:슬로프 효율)
에 의해 구해진다.
여기서, 상기 조건〔4〕에 의해, 구동 전류(Im)의 온도 특성이, 슬로프 효율에 대해 대략 반비례가 되는 함수, 또는 그 근사 직선으로 나타내어지는 경우, 구동 온도(T＋ΔT1)에 있어서의 구동 전류[Im(T＋ΔT1)]는, Im?exp(-ΔT1/T02)와 거의 동등하다고 간주할 수 있다.
또한, 구동 온도(T＋ΔT)에 있어서의, 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워[P(T＋ΔT1)]는, 하기 수식 (14)
Figure 112010006216976-pct00010
… (14)
(단, Δ1Ib:구동 온도가 T로부터 T＋ΔT1까지 증가한 경우에 있어서의 바이어스 전류의 증가량, Δ1Ith 구동 온도가 T로부터 T＋ΔT1까지 증가한 경우에 있어서의 임계값 전류의 증가량)
에 의해 구해진다. 즉, 구동 온도가 T로부터 T＋ΔT1까지 증가한 경우에 있어서의 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워의 변동량은, 하기 수식 (15)
Figure 112010006216976-pct00011
… (15)
가 된다.
여기서, 상기 조건〔5〕에 따르면, 바이어스 전류(Ib)는, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 임계값 전류(Ith)에 추종하는 값으로 되어 있다. 즉, 바이어스 전류(Ib)는, 임계값 전류(Ith)와 거의 동등하다고 할 수 있다.
이에 의해, 임계값 전류(Ith), 바이어스 전류(Ib) 및 구동 전류(Im)는, 하기 수식 (16)
Figure 112010006216976-pct00012
… (16)
의 관계를 갖고, 또한 구동 온도가 T로부터 T＋ΔT1까지 증가한 경우에 있어서의 바이어스 전류의 증가량(ΔIb1) 및 임계값 전류의 증가량(ΔIth1)은 거의 동등해진다.
따라서, 상기 구동 온도가 T로부터 T＋ΔT1까지 증가한 경우에 있어서의 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워의 변동량을 거의 0으로 할 수 있다. 이에 의해, 구동 온도의 변화에 기인하는 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워의 변동을 억제할 수 있다.
종래의 기술에 있어서는, 상기 조건〔1〕과 같이, 임계값 전류의 온도 특성이 극값을 갖는 경우에 있어서, 바이어스 전류를 고정값으로 하여 반도체 레이저를 구동해 왔다. 그로 인해, 바이어스 전류가 작으면, 구동 온도가 고온일 때에 발진 지연이 발생하고, 바이어스 전류가 크면, 저온일 때의 소비 전력이 대폭으로 증가하고 있었다.
한편, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 방법은, 바이어스 전류를 선형 함수로 하여 반도체 레이저를 구동할 수 있다. 그로 인해, 구동 온도가 저온일 때에는 작은 바이어스 전류가 되고, 구동 온도가 고온일 때에는 큰 바이어스 전류가 되므로, 여분의 소비 전력을 삭감하는 동시에, 발진 지연은 거의 완전하게 억제할 수 있다.
이에 의해, 임계값 전류가 극값을 갖는 면 발광 반도체 레이저의 출력 변동을 저소비 전력으로 억제할 수 있다. 그리고 저비용화, 공간 절약, 저전력화가 가능해지고, 또한 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어지는 반도체 레이저의 구동을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 임계값 전류와 바이어스 전류의 교점, 즉 임계값 전류의 전류값과 바이어스 전류의 전류값이 동등해지는 온도는, 구동 온도 범위 내에 있어서의 상한 온도(Th) 및 구동 온도 범위 내에 있어서의 하한 온도(Tl)로 되어 있다.
그러나 임계값 전류의 전류값과 바이어스 전류의 전류값이 동등해지는 온도는, 하기의 이유에 의해 반드시 Th 및 Tl이 된다고는 단언할 수 없다.
즉, 임계값 전류의 전류값과 바이어스 전류의 전류값이 동등해지는 경우라 함은, Ith(T)와 Ib(T)가 동등해지는 경우이다. 환언하면, 임계값 전류의 전류값과 바이어스 전류의 전류값이 동등해지는 경우라 함은, 하기의 이차 방정식 (17)을 만족하는 경우이다.
Figure 112010006216976-pct00013
… (17)
또한 이 경우, 상기 수식 (17)에 있어서의, T의 해(Ta)는 이차 함수이므로, 2개의 해를 갖는다. 여기서, 상기 2개의 해를, Ta1 및 Ta2(단, 서로 다른 해를 갖는 것으로 하고, 또한 Ta1＜Ta2)라 한다.
상술한 바와 같이, 발진 지연이 발생할 위험성을 저감하기 위해서는, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 바이어스 전류를 임계값 전류 이상의 전류값으로 해 둘 필요가 있다. 그리고 이 조건은, 임계값 전류의 전류값과 바이어스 전류의 전류값이 동등해지는, 낮은 쪽의 온도(Ta1) 및 높은 쪽의 온도(Ta2)를, Ta1≤Tl 또한 Ta2≥Th의 관계를 갖는 것으로 함으로써 만족시킬 수 있다.
단, 여기서 주의해야 할 점으로서, Ta1이나 Ta2가 변화되면, 바이어스 전류의 온도 특성을 나타내는 직선의 기울기(rb)가 변화된다고 하는 것을 들 수 있다.
이 기울기(rb)는, 다소 변화되는 정도이면, 발진 지연에 기인하는 데이터 통신의 문제 및 소광비의 저하에 기인하는 소비 전력의 증가를 충분히 억제할 수 있다. 그러나 기울기(rb)는, 크게 변화되어 버리면, Tl에 있어서의 바이어스 전류[Ib(Tl)] 및/또는 Th에 있어서의 바이어스 전류[Ib(Th)]가, 상기 발진 지연이나 소광비의 저하를 억제할 수 없는 정도까지 크게 변화되어 버릴 우려가 있다.
그로 인해, Ta1은 Ta1≤Tl의 관계를 갖는 것이면 어떠한 Ta1이 설정되어도 좋지만, Ta1＝Tl의 관계를 갖는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 또한, Ta2는, Ta2≥Th의 관계를 갖는 것이면 어떠한 Ta2가 설정되어도 좋지만, Ta2＝Th의 관계를 갖는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
또한, 후술하는 실시 형태에 있어서도 마찬가지로, 임계값 전류의 전류값과 바이어스 전류의 전류값이 동등해지는 온도는, Th 및 Tl로 되어 있다.
그러나 후술하는 실시 형태에 있어서도 마찬가지로, 임계값 전류의 전류값과 바이어스 전류의 전류값이 동등해지는 온도(Ta1 및 Ta2)는, Ta1≤Tl 또한 Ta2≥Th의 관계를 갖는 온도이면 상관없지만, Ta1＝Tl 또한 Ta2＝Th의 관계를 갖는 것이 바람직하다.
(제2 실시 형태)
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 나타내는 도면이다. 또한, 도 6에 나타내는 실시 형태는, 상술한 도 1에 나타내는 반도체 레이저 구동 방법과 마찬가지로, 상기 조건〔1〕내지〔5〕를 만족한다.
도 1에 나타내는 반도체 레이저 구동 방법에서는, 상기 조건〔1〕에서 정하는 임계값 전류의 온도 특성의 극값이, 상온 부근으로 설정되어 있었다. 그리고 임계값 전류의 온도 특성은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 상온 부근을 극소값으로 하는 아래로 볼록한 곡선이 되고, 구동 온도 범위의 고온측 및 저온측 중 어느 쪽에 있어서도 임계값 전류의 전류값은 비교적 높아져 있었다. 그로 인해, 상온 부근에 있어서, 임계값 전류의 온도 특성을 나타내는 곡선과, 바이어스 전류의 온도 특성을 나타내는 직선을 충분히 근접시키는 것이 곤란하기 때문에, 레이저 출력광 강도의 변동을 억제하는 것은 결코 용이하지 않았다.
한편, 도 6에 나타내는 반도체 레이저 구동 방법에 있어서는, 임계값 전류의 온도 특성을, 상기 수식 (1)을 약간 변형한 하기 수식 (2)를 만족하는 값으로 설정하고 있다.
Figure 112010006216976-pct00014
[단, Tc:임계값 전류가 극소값이 되는 온도(단, Tc≤Tl), Ith(Tc):Tc에 있어서의 Ith]
이에 의해, 임계값 전류의 온도 특성은, Tl 이하의 온도를 극소값으로 하는 아래로 볼록한 곡선이 된다. 그리고 임계값 전류의 온도 특성의 곡선은, 구동 온도 범위 내에 있어서 대략 단조 증가이고, 또한 구동 온도 범위 내에 있어서 직선에 가까운 곡선으로 되어 있다.
여기서, 상기 조건〔2〕에 나타내는 바와 같이, 바이어스 전류의 온도 특성이, 구동 온도에 대해 선형의 함수인 경우를 생각한다. 이 경우, 상기 조건〔5〕에 따라서, 바이어스 전류(Ib), 바이어스 전류(Ib)의 기울기인 기울기(rb)를 각각 하기 수식 (18)
Figure 112010006216976-pct00015
…(18)
및 하기 수식 (19)
Figure 112010006216976-pct00016
… (19)
로 설정한다. 그러면, 임계값 전류의 온도 특성의 곡선은, 구동 온도 범위 내에 있어서 직선에 가까운 곡선이 된다. 그로 인해, 바이어스 전류의 온도 특성의 직선은, 임계값 전류의 온도 특성의 곡선과, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐 근접한다.
이에 의해, 임계값 전류가 극값을 갖는 면 발광 반도체 레이저의 출력 변동을 보다 저소비 전력으로 억제할 수 있다. 그리고 저비용화, 공간 절약, 저전력화가 가능해지고, 또한 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어지는 반도체 레이저의 구동을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 임계값 전류의 온도 특성을 나타내는 곡선과, 바이어스 전류의 온도 특성을 나타내는 직선을 보다 근접시키는 것이 가능하다. 그로 인해, 소광비를 전체 구동 온도 범위에 걸쳐 높게 할 수 있어, 가일층의 소비 전력의 삭감이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에서는 임계값 전류의 온도 특성의 극값을, Tl 이하의 온도로 설정하고 있다. 그러나 임계값 전류의 온도 특성의 극값을 설정하는 온도에 대해서는 이것에 한정되지 않으며, 예를 들어 Th 이상의 온도로 설정되어 있어도 상관없다. 즉, 본 실시 형태에 있어서 임계값 전류의 온도 특성의 극값은, 구동 온도 범위 밖에 설정되어 있으면, 어떠한 값이라도 상관없다.
(제3 실시 형태)
본 발명의 다른 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 대해, 도 7 및 도 8을 이용하여 설명한다.
상술한 실시 형태에서는, 임계값 전류가 극값을 갖는 경우에 있어서, 주로 발진 지연 시간에 착안하여, 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성을 결정해 왔다. 즉, 상기 조건〔1〕내지〔5〕를 정하고, 이들 조건을 모두 만족하는 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성을 결정함으로써, 발진 지연에 기인하는 데이터 통신의 문제를 발생하는 일 없이, 데이터 통신시에 있어서의 소비 전력을 저감해 왔다.
본 실시 형태에서는, 임계값 전류가 극값을 갖는 경우에 있어서, 주로 소광비에 착안하여, 바이어스 전류나 구동 전류의 온도 특성을 결정하는 방법에 대해 설명한다.
본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 실행하기 위해 필요한, 광 송신 장치의 회로 구성은 상술한 광 송신 장치(2a)와 동일해도 상관없다. 그리고 광 송신 장치(2a)의 회로 구성은, 도 3에 도시하는 회로 구성이면 좋다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 바이어스 전류의 온도 특성의 직선의 기울기를 r1, 구동 전류의 온도 특성의 직선의 기울기를 r2로 한다.
다음에, 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 실현하기 위한 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성의 설정 방법에 대해 서술한다.
도 7은 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 나타내는 도면이다. 또한, 도 7에 나타내는 임계값 전류의 온도 특성은 도 1과 마찬가지로, 상온 부근을 극소값으로 하는 아래로 볼록한 곡선이 되고, 구동 온도 범위의 고온측 및 저온측 중 어느 쪽에 있어서도 임계값 전류의 전류값은 비교적 높아진다.
도 7에 나타내는 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법은, 바이어스 전류 및 구동 전류의 상한을 정하는 조건〔11〕, 구동 온도 범위 내에 있어서 반도체 레이저의 출력광 강도가 최소가 되는 구동 온도에 있어서, 소광비가 일정 이상의 값인 것을 정하는 조건〔12〕, 구동 온도 범위의 전역에 있어서 바이어스 전류가 임계값 전류 이상의 전류값이 되는 것을 정하는 조건〔13〕, 및 구동 온도 범위의 전역에 있어서, 광 수신 장치(3)의 수광 소자의 수광량이 광 수신 장치(3)의 수광 IC의 최소 수광 감도[광 수신 장치(3)에 있어서 수광이 가능한 입사광의 최소 파워] 이상이 되는 것을 정하는 조건〔14〕를 만족하는 바이어스 전류 및 구동 전류에 의해, 반도체 레이저를 구동한다.
여기서, 상기 조건〔11〕내지〔14〕에 의해 결정되는, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]의 온도 특성의 설정 방법에 대해 설명한다.
우선, 상기 조건〔11〕에 대해 설명한다.
상기 조건〔11〕은, 면 발광 반도체 레이저를 내장시키는 IC의 특성에 의해 정해지는 조건이다. 그로 인해, 사용하는 IC의 특성에 따라서 임의로 설정하는 것이 가능하다.
도 8은 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 있어서의, 바이어스 전류와 구동 전류의 관계를 나타내는 도면이다. 도 8에서는 구동 온도가 상온인 경우의, 구동 전류의 상한값을 Immax, 바이어스 전류의 상한값을 Ibmax로 하고 있다. 따라서, 상기 조건〔11〕은, 도 8에 있어서 구동 전류가 상한값(Immax) 이하, 또한 바이어스 전류가 상한값(Ibmax) 이하가 되는 영역이다.
다음에, 상기 조건〔12〕에 대해 설명한다.
상술한 바와 같이, 임계값 전류가 커지면, 임계값 전류가 작은 경우에 비해, 소정의 바이어스 전류 및 구동 전류에 의해 얻어지는 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워는 작아진다. 그리고 이때, 면 발광 반도체 레이저에 의한 데이터 통신을 정확하게 실행하기 위해서는, 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워가 저하된 경우에 있어서도, 당해 파워가 광 수신 장치(3)의 다이나믹 레인지 내에 들어가 있을 필요가 있다.
여기서, 다이나믹 레인지의 넓이와 소광비의 관계에 대해 생각한다.
임계값 전류(Ith), 바이어스 전류(Ib), 구동 전류(Im)인 경우, 소광비는 (Im＋Ib－Ith)/(Ib－Ith)가 된다. 당해 수식으로 나타내어지는 소광비가 작아진다고 하는 것은, 구동 전류(Im)와 바이어스 전류(Ib)의 차가 작아지는 것을 의미한다. 즉, 소광비가 작아진 경우, 면 발광 반도체 레이저가 출력하는 광 신호는, "1"의 신호의 진폭과 "0"의 신호의 진폭의 차가 작아진다.
한편, 상기 광 신호의 잡음의 레벨은, 상기 "1"의 신호의 진폭과 "0"의 신호의 진폭의 차의 변동에는 의존하지 않는다. 그로 인해, 상기 "1"의 신호의 진폭과 "0"의 신호의 진폭의 차의 변동에 의해, 상기 광 신호의 신호 대 잡음비(SN비)는 작아진다. 광 수신 장치(3)의 수광 IC의 최소 수광 감도는 당해 광 신호의 SN비에 의해 결정되고, SN비의 감소와 함께 당해 최소 수광 감도는 작아지므로, 상기 SN비의 감소는 다이나믹 레인지의 협소화를 의미한다.
이상의 점으로부터, 광 수신 장치(3)에 의한 출력광의 수신을 정상적으로 실행하기 위해서는, 출력광의 파워가 낮은 경우에 있어서, 높은 소광비를 유지해야 한다.
여기서, 구동 온도 범위 내에 있어서 면 발광 반도체 레이저의 출력광 강도가 최소가 되는 구동 온도(Tw)에 있어서, 광 수신 장치(3)에 의한 출력광의 수신이 가능해지는 정도의 출력광의 파워가 얻어지지 않는 경우, 당연히 구동 온도가 Tw일 때에는, 광 수신 장치(3)에 의한 출력광의 수신이 불능이 된다. 그리고 이후에는, 소광비가 작아지면 작아질수록, 면 발광 반도체 레이저의 출력광 강도가 낮은 부분으로부터 차례로 수신 불능이 된다.
이상의 점으로부터, 상기 다이나믹 레인지의 넓이는 소광비에 의존한다고 할 수 있다. 즉, 소광비가 상승하면 다이나믹 레인지는 넓어지고, 소광비가 저하되면 다이나믹 레인지는 좁아진다.
따라서, Tw에 있어서, 광 수신 장치(3)에 의한 출력광의 수신이 가능한 만큼의 소광비가 얻어지는 정도로, 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을 조절한다. 이에 의해, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 소광비의 저하에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생하는 일 없이, 면 발광 반도체 레이저를 구동시킬 수 있다. 또한, Tw의 상세한 설명에 대해서는 후술한다.
이상을 점을 근거로 하여, Tw에 있어서, 광 수신 장치(3)에 의한 출력광의 수신이 가능한 소광비(E)의 설정 범위를, 하기 수식 (20)
Figure 112010006216976-pct00017
… (20)
[단, Tw:구동 온도 범위 내에 있어서 면 발광 반도체 레이저의 출력광 강도가 최소가 되는 구동 온도, Ib(Tw):Tw에 있어서의 바이어스 전류, Im(Tw):Tw에 있어서의 구동 전류, Ith(Tw):Tw에 있어서의 임계값 전류, E:소광비의 소정값]
에 의해 구한다.
상기 소광비(E)의 설정 범위를 나타내는 수식을 만족하는 영역을, Tw에 있어서의 바이어스 전류[Ib(Tw)] 및 구동 전류[Im(Tw)]로 표현하면, 도 8의 선분(W)상 또는 선분(W)보다도 위의 영역이 된다. 또한, 이 선분(W)은 소광비(E)가 정수가 되므로, 반드시 직선으로 나타낼 수 있다.
또한, 바이어스 전류의 온도 특성은 기울기 r1의 직선으로 나타내어지므로, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)]는, 상기 선분(W)보다도 r1(Tr－Tw)만큼, 바이어스 전류가 변화되는 방향으로 시프트된다. 즉, 상기 소광비(E)의 설정 범위를 나타내는 수식을 만족하는 소광비(E)의 영역을, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]로 표현하면, 도 8의 선분(W)을 r1(Tr－Tw)만큼 바이어스 전류가 변화되는 방향으로 시프트한, 도 8의 선분(X)상 또는 선분(X)보다도 위의 영역이 된다. 그리고 이 도 8의 선분(X)상 또는 선분(X)보다도 위의 영역이, 상기 조건〔12〕를 만족하는 영역에 해당한다.
다음에, 상기 조건〔13〕에 대해 설명한다.
상술한 바와 같이, 1Gbps 오더의 고속 전송을 행하는 경우, 발진 지연은 거의 완전하게 억제될 필요가 있다. 그로 인해, 바이어스 전류 및 구동 전류는, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 발진 지연에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생하는 일이 없는 정도의 값으로 설정할 필요가 있다.
여기서, 바이어스 전류(Ib)가 항상 임계값 전류(Ith)를 하회하지 않기 위한 조건은, 하기 수식 (21)
Figure 112010006216976-pct00018
… (21)
로 나타내어진다.
즉, 바이어스 전류의 온도 특성이 기울기(r1)의 직선으로 나타내어지므로, Tw에 있어서 최저한 필요한 바이어스 전류의 전류값은, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)]를 이용하여, 상기한 수식과 같이 나타낼 수 있다.
그리고 상기 바이어스 전류(Ib)가 항상 임계값 전류(Ith)를 하회하지 않기 위한 조건을 나타내는 수식을 만족하는 영역을, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)]로 표현하면, 도 8의 선분(Y)상 또는 선분(Y)보다도 우측의 영역(바이어스 전류가 커지는 영역)이 된다. 그리고 이 선분(Y)상 또는 선분(Y)보다도 우측의 영역이, 상기 조건〔13〕을 만족하는 영역에 해당한다.
마지막으로, 상기 조건〔14〕에 대해 설명한다.
구동 온도 범위의 전역에 있어서, 광 수신 장치(3)의 수광 소자의 수광량이, 광 수신 장치(3)의 수광 IC의 최소 수광 감도 이상이 되기 위한 조건은, 하기 수식 (22)
Figure 112010006216976-pct00019
… (22)
[단, α:광 송신 장치(2a)의 발광 소자(25)와 광 수신 장치(3)의 수광 소자의 사이의 경로에 있어서의 광 손실, Pmin:최소 수광 감도]
가 된다.
또한 상술한 실시 형태에서 이용한, 면 발광 반도체 레이저의 출력광의 파워(P)와, 슬로프 효율(η)의 관계식[P＝η(Im＋Ib－Ith)]을 상기 수식 (22)에 적용하면, 하기 수식 (23)
Figure 112010006216976-pct00020
… (23)
이 된다. 그리고 이 수식으로부터, 구동 온도 범위 내에 있어서 면 발광 반도체 레이저의 출력광 강도가 최소가 되는 구동 온도(Tw)에 있어서의 구동 전류[Im(Tw)]의 조건은, 하기 수식 (24)
Figure 112010006216976-pct00021
… (24)
에 의해 구해진다.
여기서, 바이어스 전류의 온도 특성은 기울기 r1의 직선으로, 구동 전류의 온도 특성은 기울기 r2의 직선으로 나타내어지므로, 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값은 각각, 하기 수식 (25) 및 (26)
Figure 112010006216976-pct00022
… (25)
Figure 112010006216976-pct00023
… (26)
으로 나타내어진다. 그리고 이들 수식을 상기(Tw)에 있어서의 구동 전류[Im(Tw)]의 조건을 나타내는 수식에 대입함으로써, 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 구동 전류[Im(Tr)]의 조건은, 하기 수식 (27)
Figure 112010006216976-pct00024
… (27)
이 되는 것을 알 수 있다.
그리고 상기 구동 온도 범위의 전역에 있어서, 광 수신 장치(3)의 수광 소자의 수광량이, 광 수신 장치(3)의 수광 IC의 최소 수광 감도 이상이 되기 위한 조건을 나타내는 수식을 만족하는 영역을, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]로 표현하면, 도 8의 선분(Z)상 또는 선분(Z)보다도 위의 영역이 된다. 그리고 이 선분(Z)상 또는 선분(Z)보다도 위의 영역이, 상기 조건〔14〕를 만족하는 영역에 해당된다.
결과적으로, 도 8의 상한값(Immax), 선분(X), 선분(Y) 및 선분(Z)으로 둘러싸인 영역(100)이, 상기 조건〔11〕내지〔14〕를 만족하는, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값의 범위가 된다. 그리고 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]를 영역(100) 내에 설정한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 실현할 수 있다.
여기서 구동 온도 범위 내에 있어서 소광비가 최소가 되는 구동 온도(Tw)에 대해 설명한다.
상술한 바와 같이, 면 발광 반도체 레이저의 경우, 임계값 전류의 온도 특성은 극값을 갖고 있는 경우가 많다. 또한 이 경우, 면 발광 반도체 레이저의 임계값 전류의 온도 특성은, 상온 부근을 극소값으로 하는 아래로 볼록한 곡선이 되고, 구동 온도 범위의 고온측 및 저온측 중 어느 쪽에 있어서도 임계값 전류의 전류값은 비교적 높아진다.
면 발광 반도체 레이저가 이러한 임계값 전류 및 바이어스 전류의 온도 특성을 갖는 경우, 상기 소광비(E)의 설정 범위를 나타내는 수식에 따라서 소광비가 소정값(E)이 되는 구동 전류의 온도 특성을 도출하면, 당해 소광비가 소정값(E)이 되는 구동 전류의 온도 특성은, 상온 부근을 극대값으로 하는 위로 볼록한 곡선으로 나타내어진다. 이것은 환언하면, 구동 전류의 온도 특성이, 구동 온도에 대해 선형의 함수로 되는 경우, 소광비의 온도 특성은 상온 부근을 극소값으로 하는 아래로 볼록한 곡선이 되고, 상한 온도(Th) 혹은 하한 온도(Tl)에 근접함에 따라 소광비는 상승한다고 하는 것이다.
이것으로부터, 임계값 전류의 온도 특성이 극값을 갖는 경우, 면 발광 반도체 레이저의 출력광 강도가 최소가 되는 구동 온도(Tw)는 항상, 상한 온도(Th) 혹은 하한 온도(Tl) 중 어느 하나가 된다. 즉, 상한 온도(Th) 및 하한 온도(Tl) 중, 당해 온도에 있어서의 면 발광 반도체 레이저의 출력광 강도가 보다 작아지는 온도를 Tw로 하면 된다.
상기 소광비(E)의 설정 범위를 나타내는 수식을 이용하여, 예를 들어 도 7에 나타내는 임계값 전류, 바이어스 전류 및 구동 전류의 온도 특성으로부터, 소광비가 소정값(E)이 되는 구동 전류의 온도 특성을 구한 것이, 도 7에 나타내는 곡선[E(T)]이다. 도 7의 경우, 소광비가 최소가 되는 구동 온도(Tw)는, 구동 온도 범위 내의 하한 온도(Tl)가 된다.
따라서, Tl에 있어서, 광 수신 장치(3)에 의한 출력광의 수신이 가능한 만큼의 소광비를 얻기 위해, 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을 전술한 바와 같이 조절함으로써, 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 실현할 수 있다.
또한, 도 7에 있어서, 상온 부근에 있어서의 소광비는, 상기 소광비의 소정값(E)을 하회한다. 그러나 이 경우는, 면 발광 반도체 레이저의 출력광 강도가 충분히 크기 때문에, 광 수신 장치(3)에 의한 출력광의 수신에 지장을 초래하는 일은 없다.
이에 의해, 임계값 전류가 극값을 갖는 면 발광 반도체 레이저의 출력 변동을 보다 저소비 전력으로 억제할 수 있다. 그리고 저비용화, 공간 절약, 저전력화가 가능해지고, 또한 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어지는 반도체 레이저 구동 방법을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 경우에 있어서는, 하기와 같은 효과를 발휘한다.
즉, 종래에 있어서의 반도체 레이저 구동 방법에서는, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐 소광비를 소정의 값 이상으로 설정하고 있었다. 그로 인해, 임계값 전류의 온도 특성이 극값을 갖는 면 발광 반도체 레이저인 경우, 면 발광 반도체 레이저의 출력광 강도가 비교적 큰 상온 부근에 있어서는, 바이어스 전류나 구동 전류의 전류값이 불필요하게 커지고, 그것에 의해 소비 전력이 증대해 버린다고 하는 문제가 있었다.
한편, 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법에서는, 면 발광 반도체 레이저의 출력광 강도가 최소가 되는 구동 온도에서, 광 수신 장치(3)에 의한 출력광의 수신이 가능한 만큼의 소광비를 확보하기 위해, 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을 설정하고 있다. 이에 의해, 면 발광 반도체 레이저의 출력광 강도가 비교적 큰 상온 부근에 있어서, 바이어스 전류 및 구동 전류를 더욱 작게 하는 것이 가능하여, 소비 전력을 더욱 삭감할 수 있다.
또한, 본 실시 형태는 상술한 실시 형태와 마찬가지로, 임계값 전류의 온도 특성의 극값이, 구동 온도 범위 내에 설정되는 경우를 예로 들어 설명하고 있다. 그러나 임계값 전류의 온도 특성의 극값은 반드시 구동 온도 범위 내에 설정될 필요는 없다. 즉, 본 실시 형태에 있어서, 임계값 전류의 온도 특성의 극값은, 상술한 도 6에 나타내는 실시 형태와 마찬가지로, 구동 온도 범위 밖의 온도로 설정되어 있어도 상관없다.
또한, 후술하는 실시 형태에 대해서도 마찬가지로, 임계값 전류의 온도 특성의 극값은, 구동 온도 범위 내의 온도라도 상관없고, 구동 온도 범위 밖의 온도로 설정되어 있어도 상관없다.
(제4 실시 형태)
본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 대해, 도 9 및 도 10을 이용하여 설명한다.
본 실시 형태에서는, 상술한 실시 형태의 조건〔11〕내지〔14〕에 부가하여, Tl에 있어서의 바이어스 전류[Ib(Tl)]와 Tl에 있어서의 임계값 전류[Ith(Tl)]가 일치하고, 또한 Th에 있어서의 바이어스 전류[Ib(Th)]와 Th에 있어서의 임계값 전류[Ith(Th)]가 일치하는 조건〔15〕를 설정하고 있다.
여기서, 상기 조건〔15〕에 대해 설명한다.
상기 조건〔15〕를 만족하기 위해서는, 바이어스 전류의 기울기(r1)를, 하기 수식 (28)
Figure 112010006216976-pct00025
… (28)
로 설정하면 좋다.
그리고 바이어스 전류의 기울기(r1)를 상기한 바와 같이 결정한 경우, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)]는, 하기 수식 (29)
Figure 112010006216976-pct00026
… (29)
로 나타내어진다.
도 9는 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 있어서의, 바이어스 전류와 구동 전류의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도 9는, 도 8의 상기 조건〔11〕에 의해 정해지는 바이어스 전류의 상한값(Ibmax) 및 구동 전류의 상한값(Immax), 상기 조건〔12〕에 의해 정해지는 선분(W) 및 선분(X), 상기 조건〔14〕에 의해 정해지는 선분(Z)에 부가하여, 상기 조건〔15〕에 의해 정해지는 선분(Y')을 도시하고 있는 것이다.
도 9에 있어서, 상기 조건〔15〕를 만족하는 영역은, 말할 필요도 없이 선분(Y')상이다.
따라서, 선분(Y')과 Immax의 교점(Y'1) 및 선분(Y')과 선분(Z)의 교점(Y'2)에 의해 결정되는 선분(101)의 선 상이, 상기 조건〔11〕내지〔15〕를 만족하는, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값의 범위가 된다. 그리고 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]를 선분(101) 상에 설정한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 실현할 수 있다.
이와 같이 하여 도출되는, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)]에 의해, 면 발광 반도체 레이저를 구동한 경우에 있어서의, 바이어스 전류(Ib) 및 임계값 전류(Ith)의 온도 특성을 도 10에 나타낸다.
도 10에서도 알 수 있는 바와 같이, 바이어스 전류(Ib)의 온도 특성을 나타내는 직선과 임계값 전류(Ith)의 온도 특성을 나타내는 직선은, Tl 및 Th에 있어서 일치하고 있다.
구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)]를 상기한 바와 같이 설정함으로써, 바이어스 전류에 의한 전력 소비를 더욱 저감시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태는, 상술한 도 6에 나타내는 실시 형태와 조합해도 좋다. 즉, 본 실시 형태는 임계값 전류의 극값이 구동 온도 범위 밖에 설정되어 있어도 좋다.
(제5 실시 형태)
본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 대해, 도 11을 이용하여 설명한다.
여기서는, 도 7에 나타낸, 상술한 실시 형태에서 정한 영역(100) 중에서도, 가장 소비 전력을 삭감할 수 있는, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값의 설정 방법에 대해 서술한다.
도 7에 있어서의 영역(100)은, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]가 당해 영역 내의 어느 부분으로 설정되는 경우라도 발진 지연을 발생시키지 않고, 또한 소비 전력을 삭감하는 것이 가능하다고 하는 것을 나타내는 영역이다.
그로 인해, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값은, 모두 영역(100) 내에 들어가는 값이면, 어떠한 값이라도 상관없다.
따라서, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)]의 전류값을, 선분(Y)상, 즉 하기 수식 (30)을 만족하는 값으로 설정한다.
Figure 112010006216976-pct00027
… (30)
또한 이때, 구동 온도가 상온인 경우의 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값은 선분(Y)과 선분(Z)의 교점, 즉 하기 수식 (31) 및 (32)를 만족하는 값으로 설정한다.
Figure 112010006216976-pct00028
… (31)
또한,
Figure 112010006216976-pct00029
… (32)
상기 3개의 수식 (30) 내지 (32)를 기초로 정해진, 영역(100)에 있어서의 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값의 최소값을 나타낸 도면이 도 11이다. 도 11에 있어서의 점(100a)이, 영역(100) 중에서도 가장 소비 전력을 삭감할 수 있는, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값을 나타내고 있다.
또한, 본 실시 형태는, 상술한 도 6에 나타내는 실시 형태와 조합해도 좋다. 즉, 본 실시 형태는 임계값 전류의 극값이 구동 온도 범위 밖에 설정되어 있어도 좋다.
또한, 지금까지 설명해 온 실시 형태에 있어서, 소비 전력을 가장 저감시킬 수 있는 실시예는, 본 실시 형태와 상술한 도 6에 나타내는 실시 형태를 조합한 실시예이다. 즉, 제1 내지 제5 실시 형태에 있어서, 소비 전력을 가장 저감시킬 수 있는 실시예는, 본 제5 실시 형태에 있어서 임계값 전류의 온도 특성의 극값이, 상술한 제2 실시 형태에 나타내는 바와 같이, 구동 온도 범위 밖의 온도로 설정되는 실시예이다.
(제6 실시 형태)
본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 대해, 도 12 및 도 13을 이용하여 설명한다.
본 실시 형태에서는, 상술한 실시 형태의 조건〔11〕내지〔14〕에 부가하여, 상온에 있어서 소광비가 소정값 이하의 값인 것을 정하는 조건〔16〕을 설정하고 있다.
여기서, 상기 조건〔16〕에 대해 설명한다.
상온(Tr)에 있어서의, 소정의 소광비(Er)의 설정 범위는, 하기 수식 (33)
Figure 112010006216976-pct00030
… (33)
에 의해 구해진다.
또한, 소정의 소광비(Er)의 수치의 설정 방법은, 상온에 있어서의 소광비를 어느 정도의 값 이상 필요한지를 감안하여 적절하게 결정하는 것이 가능하지만, 구체적인 값으로서 소광비(Er)는 2 내지 4㏈의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
상온에 있어서, 소광비가 소정값 이하의 값인 것을 정하는 조건을 나타내는 수식을 만족하는 영역을, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]로 표현하면, 도 12의 선분(X')상 또는 선분(X')보다도 위의 영역이 된다. 그리고 이 선분(X')상 또는 선분(X')보다도 위의 영역이, 상기 조건〔16〕을 만족하는 영역에 해당한다. 또한, 이 선분(X')은 소광비(Er)가 정수이므로, 반드시 직선으로 나타낼 수 있고, 또한 선분(X')은 선분(X)과 평행이 된다.
결과로서, 도 12에서 나타내어지는 구동 전류의 상한값(Immax), 선분(X), 선분(Y), 선분(Z) 및 선분(X')으로 둘러싸인 영역(102)이, 상기 조건〔11〕내지〔14〕및〔16〕을 만족하는, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값의 범위가 된다. 그리고 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]를 영역(102) 내에 설정한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법을 실현할 수 있다.
또한, 도 12의 영역(102) 중에서도, 가장 소비 전력을 삭감할 수 있는, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값에 대해서는, 상술한 실시 형태와 동일한 고려 방법에 의해 도출할 수 있다.
즉, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)]의 전류값을, 선분(Y)상, 즉 Ib(Tr)＝Ith(Tw)－r1(Tw－Tr)로 설정하고, 구동 온도가 상온인 경우의 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값을, 선분(Y)과 선분(Z)의 교점, 즉 하기 수식 (34)
Figure 112010006216976-pct00031
… (34)
또한, 하기 수식 (35)
Figure 112010006216976-pct00032
… (35)
를 만족하는 값으로 설정한다.
그리고 도 12에 있어서의 점(102a)이, 영역(102) 중에서도 가장 소비 전력을 삭감하는 것이 가능한, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]의 전류값을 나타내고 있다.
또한, 이상의 조건에 의해 구해진, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)]에 의해, 면 발광 반도체 레이저를 구동한 경우에 있어서의 임계값 전류(Ith) 및 바이어스 전류(Ib)의 온도 특성을 도 13에 나타낸다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 경우, 소광비의 온도 특성은 곡선[D(T)]이 되지만, 이 도면으로부터도, 상온에서 구동하는 경우에 있어서 소광비가 E 이상 또한 Er 이하로 되는 것은 명백하다.
따라서, 상온 부근에 있어서의 소광비를, 소정의 소광비(Er) 이하의 값으로 설정함으로써, 구동 온도의 변화에 기인하는 소광비의 변화를 저감할 수 있다. 즉, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐 소광비의 값이 안정된다. 따라서, 수신측에서 매우 안정된 전송 특성 및 광 출력이 얻어진다.
(제7 실시 형태)
본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 대해, 도 14를 이용하여 설명한다.
본 실시 형태에서는, 상술한 실시 형태의 조건〔11〕내지〔14〕에 부가하여, 전체 구동 온도 범위에 있어서 출력광의 파워의 변동 폭이 소정값 이하의 값인 것을 규정하는 조건〔17〕을 설정하고 있다.
여기서, 상기 조건〔17〕에 대해 설명한다.
전체 구동 온도 범위에 있어서의, 출력광의 파워의 변동 폭의 하한을 m1, 상한을 m2로 하면, 출력광의 파워의 변동 폭은 하기 수식 (36)에 의해 구해진다.
Figure 112010006216976-pct00033
… (36)
[단, Pm(T):구동 온도(T)에 있어서의 구동 전류에 의한 출력광의 강도, Pb(T):구동 온도(T)에 있어서의 바이어스 전류에 의한 출력광의 강도]
보다 구체적으로는, 상기 수식 (36)은, 하기 수식 (37)로 변형할 수 있다.
Figure 112010006216976-pct00034
… (37)
[단, Ib(T):구동 온도(T)에 있어서의 바이어스 전류, Im(T):구동 온도(T)에 있어서의 구동 전류, Ith(T):구동 온도(T)에 있어서의 임계값 전류, Vcc:전원(21)의 전압값]
즉, Tl＜T＜Th가 되는 모든 구동 온도(T)에 있어서, 상기 출력광의 파워의 변동 폭을 정하는 수식 (37)을 만족함으로써, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 출력광의 파워의 변동 폭을 소정값 이하의 값으로 할 수 있다.
또한, 출력광의 파워의 변동 폭의 하한(m1) 및 상한(m2)의 설정 방법은, 전체 구동 온도 범위에 있어서의 출력광의 파워의 변동 폭을 어느 정도의 값까지 억제할 것인지를 감안하여 적절하게 결정하는 것이 가능하지만, 구체적인 값으로서 출력광의 파워의 변동 폭의 하한(m1) 및 상한(m2)은 그 차가 3 내지 4㏈의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
이상의 조건에 의해 구해진, 구동 온도가 상온인 경우의 바이어스 전류[Ib(Tr)] 및 구동 전류[Im(Tr)]에 의해 면 발광 반도체 레이저를 구동한 경우에 있어서의, 임계값 전류(Ith), 바이어스 전류(Ib) 및 구동 전류(Im)의 온도 특성을 도 14에 나타낸다.
도 14에 나타내는 바와 같이, 출력광의 파워의 변동 폭은, 전체 구동 온도 범위 내에 있어서, m1 이상 m2 이하로 되어 있다.
이에 의해, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 구동 온도에 기인하는 출력 변동을 일정치 이하로 억제할 수 있다. 즉, 출력광의 파워를 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 광 배선 모듈이 원하는 출력 변동의 범위 내로 억제할 수 있으므로, 수신측에서 매우 안정된 전송 특성 및 광 출력이 얻어진다.
(제8 실시 형태)
상술한 실시 형태에서는, 임계값 전류, 바이어스 전류, 그리고 구동 전류의 온도 특성의 설정 방법을 고안함으로써, 발진 지연이나 소광비의 저하에 기인하는 데이터 통신의 문제를 발생시키는 일 없이, 소비 전력을 저감시킬 수 있는 반도체 레이저 구동 방법에 대해 설명해 왔다.
여기서 주의해야 할 점으로서, 면 발광 반도체 레이저의 임계값 전류의 온도 특성은, Typ 특성에 의해 변동이 발생한다. 그리고 그것에 수반하여, 상술한 실시 형태의 방법에 의해 바이어스 전류의 온도 특성을 설정한 경우에 있어서도 마찬가지로, 그 특성은 상기 변동에 좌우된다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 임계값 전류의 온도 특성의 변동을 고려한 후에, 바이어스 전류의 온도 특성을 설정하는 방법에 대해 도 15 내지 도 17을 이용하여 설명한다.
도 15는 임계값 전류의 온도 특성이 변동되었을 때의, 바이어스 전류의 온도 특성의 설정 방법을 나타내는 도면이다.
도 15에서는, Typ 특성에 의해 임계값 전류가 변동되고, Ith1, Ith2, 그리고 Ith3이라고 하는 3개의 온도 특성을 나타내고 있다. 또한, Th에 있어서의 임계값 전류[Ith(Th)]와, Tl에 있어서의 임계값 전류[Ith(Tl)]의 차(sth)에 대해서는, 하기 수식 (38)
Figure 112010006216976-pct00035
… (38)
[단, sth(Ith3):Ith3에 있어서의 sth, sth(Ith2):Ith2에 있어서의 sth, sth(Ith1):Ith1에 있어서의 sth]
라고 하는 관계를 갖는다.
또한, 이것에 수반하여 바이어스 전류는, Ib1, Ib2, 그리고 Ib3이라고 하는 3개의 온도 특성을 갖는 패턴을 생각할 수 있다. 또한, Th에 있어서의 바이어스 전류[Ib(Th)]와, Tl에 있어서의 바이어스 전류[Ib(Tl)]의 차(sb)에 대해서는, 하기 수식 (39)
Figure 112010006216976-pct00036
… (39)
[단, sb(Ib3):Ib3에 있어서의 sb, sb(Ib2):Ib2에 있어서의 sb, sb(Ib1):Ib1에 있어서의 sb]
라고 하는 관계를 갖는다.
또한, 이것으로부터 바이어스 전류의 기울기(rb)에 대해서도 마찬가지로, 하기 수식 (40)
Figure 112010006216976-pct00037
… (40)
[단, rb(Ib3):Ib3에 있어서의 rb, rb(Ib2):Ib2에 있어서의 rb, rb(Ib1):Ib1에 있어서의 rb]
라고 하는 관계를 갖는다.
여기서, Ith3과 같이 sth가 큰 경우, 바이어스 전류로서 rb가 큰 Ib3을, Ith2와 같이 sth가 보통인 경우, 바이어스 전류로서 rb가 보통인 Ib3을, Ith1과 같이 sth가 작은 경우, 바이어스 전류로서 rb가 작은 Ib1을 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 바이어스 전류의 온도 특성을, 구동 온도 범위 내의 상한 온도에서의 임계값 전류와 구동 온도 범위 내의 하한 온도에서의 임계값 전류의 차, 및 바이어스 전류의 온도 특성의 기울기를 서로 대응시켜 설정함으로써, 임계값 전류의 온도 특성이 변동된 경우에 있어서도, 바이어스 전류를 적절하게 설정할 수 있다.
계속해서, 상술한 도 1에 나타내는 실시 형태에 있어서, 임계값 전류의 온도 특성의 변동을 고려한 후에, 바이어스 전류의 온도 특성을 설정하는 방법에 대해서 도 16 및 도 17을 이용하여 설명한다. 또한, 여기서는, 상기 바이어스 전류의 온도 특성을 설정하는 방법으로서, 바이어스 전류(Ib)의 기울기의 허용 범위, 즉 기울기(rb)의 허용 범위에 대해 서술한다.
기울기(rb)는, 지나치게 큰 값이 되면, Tl에 있어서 소광비가 악화되어 소비 전력이 증대되어 버린다. 반대로 지나치게 작은 값이 되면, 바이어스 전류(Ib)가 Th에 있어서 임계값 전류(Ith)를 크게 하회해 버려, 발진 지연에 의해 광 수신 장치측의 전송 특성이 흐트러져, 데이터 통신에 문제가 발생한다. 그로 인해 여기서는, 최종적으로 면 발광 반도체 레이저를 탑재한 광 배선 모듈의 전송 속도대에 있어서, 당해 광 배선 모듈의 사용이 가능한 만큼의 성능을 유지하고, 또한 소비 전력을 충분히 저하시키는 것이 가능한 기울기(rb)를 생각한다.
우선, 기울기(rb)가 최대가 되는 경우에 대해 생각한다.
도 16은, 도 1에 도시하는 임계값 전류의 온도 특성이 변동된 경우에 있어서, 기울기(rb)가 최대가 되는 경우의 바이어스 전류(Ib)의 온도 특성을 나타내는 도면이다. 또한, 곡선(A 내지 C)은 모두, Typ 특성에 의해 변동된, 임계값 전류의 온도 특성을 나타내는 곡선이다.
기울기(rb)가 최대가 되는 경우라 함은 즉, 임계값 전류의 온도 특성 중, Ith(Th)와 Ith(Tl)의 차, 즉 sth가 최대가 되는 온도 특성을 갖는 경우이다. 그리고 이러한 온도 특성을 나타내는 곡선(A)의, Ith(Tl)을 나타내는 점(a1)과, Ith(Th)를 나타내는 점(a2)을 연결한 직선이, 기울기(rb)가 최대가 되는 바이어스 전류(Ib)의 온도 특성이다.
즉, 기울기(rb)가 최대가 되는 경우, 기울기(rb)는 하기 수식 (41)
Figure 112010006216976-pct00038
… (41)
[단, Ith(Th)A:도 17의 곡선(A)에 있어서의 Ith(Th), Ith(Tl)A:도 17의 곡선(A)에 있어서의 Ith(Tl)]
로 나타낼 수 있다.
계속해서, 기울기(rb)가 최소가 되는 경우에 대해 생각한다.
도 17은 도 1에 나타내는 임계값 전류의 온도 특성이 변동된 경우에 있어서, 기울기(rb)가 최소가 되는 경우의 바이어스 전류(Ib)의 온도 특성을 나타내는 도면이다.
기울기(rb)가 최소가 되는 경우라 함은 즉, 임계값 전류의 온도 특성 중, sth가 최소가 되는 온도 특성을 갖는 경우이다. 그리고 이러한 온도 특성을 나타내는 곡선(C)의, Ith(Tl)를 나타내는 점(c1)과, Ith(Th)를 나타내는 점(c2)을 연결한 직선을, 바이어스 전류(Ib)의 온도 특성으로 해도 물론 상관없다.
그러나 이 경우는 또한, 다소의 발진 지연을 무시하고 바이어스 전류를 임계값 전류보다도 하회시켜도 상관없다. 즉, Th에 있어서, 발진 지연에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생하지 않는 최소의 바이어스 전류의 전류값을 설정함으로써, 소비 전력을 더욱 저감시키는 것이 가능하다.
바이어스 전류(Ib)가 임계값 전류(Ith)를 하회하였을 때의 발진 지연 시간(TD)은 하기 수식 (3)으로 나타낼 수 있다.
Figure 112010006216976-pct00039
여기서, 발진 지연 시간(TD)은, 시스템으로부터의 요구에 의해 결정되는 이미 알고 있는 정수이므로, 상기 수식 (3)으로부터 바이어스시의 정상 캐리어 밀도(N0) 및 임계값 캐리어 밀도(Nth)가 구해진다.
그리고 하기 수식 (4) 및 (5)로부터, 발진 지연이 TD만큼 발생한 경우에 있어서의 전류의 강하 정도(ΔI)를 구할 수 있다.
Figure 112010006216976-pct00040
Figure 112010006216976-pct00041
[단, N0:바이어스시의 정상 캐리어 밀도, Nth:임계값 캐리어 밀도, J:구동시의 전류 밀도, N:캐리어 밀도, τs:캐리어 재결합 시간, τs(N):캐리어 밀도(N)에 있어서의 재결합 시간, τs(Nth):임계값에서의 캐리어 재결합 시간, Jth:임계값 전류 밀도, J0:바이어스시의 전류 밀도]
즉, 상기 수식 (3)에서 구해진 임계값 캐리어 밀도(Nth) 및 상기 수식 (4)에 의해, 임계값 전류 밀도(J0)가 구해진다. 또한, 상기 수식 (3)에서 구해진 바이어스시의 정상 캐리어 밀도(N0) 및 상기 수식 (5)에 의해 바이어스시의 전류 밀도(J0)가 구해진다.
여기서, 바이어스 전류는 바이어스 전류 밀도(J0)와 활성층 면적의 곱으로 나타내어지지만, 활성층 면적은 이미 알고 있으므로, 바이어스 전류 밀도(J0)로부터 바이어스 전류를 구하는 것이 가능해진다. 마찬가지로, 임계값 전류는 임계값 전류 밀도(Jth)와 활성층 면적의 곱으로 나타내어지지만, 활성층 면적은 이미 알고 있으므로, 임계값 전류 밀도(Jth)로부터 임계값 전류를 구하는 것이 가능해진다.
그리고 상기한 방법에 의해 구해진 바이어스 전류와 임계값 전류의 차가, ΔI가 된다.
즉, Th에 있어서의 바이어스 전류의 전류값이, Ith(Th)－ΔI 이상이면, 당해 바이어스 전류(Ib)가 Th에 있어서의 임계값 전류[Ith(Th)]를 하회해도, 발진 지연에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생하지 않는다.
따라서, 점(c1)과, Th에 있어서 Ib＝Ith(Th)－ΔI가 되는 점(c3)을 연결한 직선을, 기울기(rb)가 최소가 되는 바이어스 전류(Ib)의 온도 특성으로 한다. 이에 의해, 발진 지연에 기인하는 데이터 통신의 문제가 발생하는 일 없이, 소비 전력을 더욱 저감시킬 수 있다.
즉, 기울기(rb)가 최소가 되는 경우, 기울기(rb)는 하기 수식 (42)
Figure 112010006216976-pct00042
… (42)
[단, Ith(Th)C:도 17의 곡선(C)에 있어서의 Ith(Th), Ith(Tl)C:도 17의 곡선(C)에 있어서의 Ith(Tl)]
로 나타낼 수 있다.
또한 여기서는, 도 1에 나타내는 실시 형태에 있어서, 임계값 전류의 온도 특성의 변동을 고려한 후에, 바이어스 전류의 온도 특성을 설정하는 방법에 대해 설명해 왔지만 이것에 한정되지 않고, 도 6에 나타내는 실시 형태에 있어서도, 기울기(rb)의 허용 범위의 설정은, 상기 수식 rb∝(Ith(Th)A－Ith(Tl)A)/ΔT 및, 상기 수식 rb∝〔(Ith(Th)C－ΔI)－Ith(Tl)C〕를 이용하여 나타낼 수 있다.
(제9 실시 형태)
본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 대해, 도 19?도 20을 이용하여 설명한다.
상술한 실시 형태에 있어서는, 바이어스 전류의 온도 특성이 선형 함수인 것으로서, 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법의 설명을 행해 왔다. 그러나 상기 바이어스 전류의 온도 특성은, 상술한 바와 같이 선형 함수에 한정되는 것은 아니다.
즉, 상술한 실시 형태에 있어서, 바이어스 전류의 온도 특성을 선형 함수로 하는 목적은, 소비 전력, 비용, 장치 전체의 규모의 증대의 요인이 되는 회로(APC 회로, ATC 회로 등)의 사용을 피하는 것이다. 그로 인해, 이들 회로를 사용하지 않는 구성이라면, 바이어스 전류의 온도 특성은 선형 함수 이외의 함수라도 상관없다.
그리고 상기 구성으로서는, 예를 들어 도 19의 (a)에 나타내는 구성을 생각할 수 있다.
도 19의 (a)는, 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 장치를 구비하는, 광 송신 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 19의 (a)에 도시하는 광 송신 장치(2b)는, 전원(21)과 광 송신 장치 본체(52)를 구비하는 구성이다. 또한, 광 송신 장치 본체(52)는, 출력 조정 회로(53a), 드라이버 회로(24), 및 발광 소자(25)를 구비하는 구성이다.
또한, 본 발명에 관한 반도체 레이저 구동 장치는, 출력 조정 회로(53a) 및 드라이버 회로(24)를 구비하는 구성이다.
출력 조정 회로(53a)는, 전원(21)에 의해 구동되고, 드라이버 회로(24)가 출력하는 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을, 광 송신 장치(2b) 자신의 구동 온도(구동 온도)의 변화에 따라서 변화시키는 것이다. 이 출력 조정 회로(53a)는, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a)와 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)를 갖는 바이어스 전류 설정부(532) 및 구동 전류 설정부(233)를 갖는 구동 제어부(531a)를 구비한다.
또한, 구동 제어부(531a)의 구동 전류 설정부(233)의 동작 원리는, 출력 조정 회로(23)와 동일해도 상관없다.
한편, 구동 제어부(531a)의 바이어스 전류 설정부(532)는, 원하는 바이어스 전류의 온도 특성을 나타내는 신호(Vb)를 생성하고, 당해 신호(Vb)를 드라이버 회로(24)에 출력하는 점에 대해서는, 바이어스 전류 설정부(232)와 동일한 동작 원리를 갖는다.
단, 바이어스 전류 설정부(532)는, 바이어스 전류의 온도 특성이 서로 다른 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)에 의해, 구동 온도에 따라서 당해 온도 특성을 절환한다고 하는 점이 바이어스 전류 설정부(232)와 상이하다.
즉, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)는, 서로 다른 온도 특성에 기초하여 바이어스 전류를 설정한다. 그리고 바이어스 전류 설정부(532)는, 구동 온도가 소정의 온도 미만인 경우, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a)에 의해 바이어스 전류의 전류값을 설정하고, 구동 온도가 당해 소정의 온도 이상인 경우, 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)에 의해 바이어스 전류의 전류값을 설정한다.
또한, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)는 모두, 구동 온도에 대한 바이어스 전류의 온도 특성이 선형 함수가 되고, 또한 저온시 바이어스 전류 설정부(532a)의 온도 특성을 나타내는 선형 함수(이하,「제1 선형 함수」라 함)와 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)의 온도 특성을 나타내는 선형 함수(이하,「제2 선형 함수」라 함)는, 서로 기울기가 다르다. 또한, 제1 선형 함수와 제2 선형 함수가 서로 기울기가 다르게 되는 것이면, 당해 2개의 선형 함수 중 어느 한쪽은 기울기가 0, 즉 정전류라도 상관없다.
또한, 구동 온도에 따라서 저온시 바이어스 전류 설정부(532a)와 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)를 절환하기 위한 구성으로서는, 예를 들어 하기의 구성을 생각할 수 있다.
즉, 바이어스 전류 설정부(532)에 있어서의, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)의 전단에 트랜지스터(도시하지 않음)를 설치한다. 그리고 자신에게 입력되는 구동 온도에 따른 제어 전압에 따라서, 상기 트랜지스터의 도통/비도통을 절환함으로써, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a)와 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)의 절환을 행하는 구성이면 좋다.
또한, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)는, 저항 등을 이용한 단순한 회로에 의해 구성할 수 있고, 또한 상기 특성은 저항의 설정값을 적절하게 변경함으로써 설정할 수 있다.
여기서, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)의 전류값의 설정 방법에 대해 서술한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)에 의한 바이어스 전류의 온도 특성의 절환을 상온(Tr)에서 행하는 것으로 하지만, 당연히 당해 절환을 행하는 온도는 이것에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 형태에서는, 도 1에 나타내는 실시 형태에 있어서, Tr에 있어서의 바이어스 전류를, 소정값[Ib(Tro)]만큼 저하시키도록, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)의 전류값을 설정하는 예에 대해 설명한다.
이 경우, 제1 선형 함수를, 하기 수식 (43)
Figure 112010006216976-pct00043
… (43)
을 만족하는 값으로 설정하는 동시에, 바이어스 전류[Ib(T)]의 기울기인 기울기(rb)를, 하기 수식 (44)
Figure 112010006216976-pct00044
… (44)
로 설정한다.
또한 이 경우, 제2 선형 함수를, 하기 수식 (45)
Figure 112010006216976-pct00045
… (45)
를 만족하는 값으로 설정하는 동시에, 바이어스 전류[Ib(T)]의 기울기인 기울기(rb)를, 하기 수식 (46)
Figure 112010006216976-pct00046
… (46)
으로 설정한다.
이상의 조건에 의해 구해진 제1 선형 함수 및 제2 선형 함수에 의해 설정된, 바이어스 전류의 온도 특성을 도 19의 (b)에 나타낸다. 도 19의 (b)에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 바이어스 전류(Ib)의 온도 특성[Ib(Tr－Tro)]은, 상온(Tr)에 있어서 기울기가 변화되는 꺾임선 형상의 온도 특성으로 되어 있다.
도 19의 (b)에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 바이어스 전류(Ib)의 온도 특성[Ib(Tr－Tro)]은, 도 1에 나타내는 구동 온도 범위의 전역에 걸쳐 온도 특성이 선형이 되는 바이어스 전류의 온도 특성[Ib(T)]과 비교하여, 상온(tr) 부근 및 그 주변 온도에 있어서의 바이어스 전류가 낮게 되어 있다.
따라서, 반도체 레이저의 저비용화, 공간 절약화, 저전력화를 가능하게 하고, 또한 반도체 레이저의 구동에 있어서는, 전체 구동 온도 범위에 걸쳐 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어진다.
또한, 상기한 바와 같이, 바이어스 전류의 온도 특성으로서 복수의 선형 함수를 포함하는 특성을 갖게 하여 반도체 레이저를 구동함으로써, 바이어스 전류에 기인하는 소비 전력을 보다 저감시키는 것이 가능해지고, 또한 수신측에서 매우 안정된 전송 특성 및 광 출력이 얻어진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 바이어스 전류의 온도 특성으로서 2종류의 선형 함수를 포함하는 특성을 갖게 하였지만 이것에 한정되지 않고, 바이어스 전류의 온도 특성은 3종류 이상의 선형 함수를 포함하는 특성을 갖는 것이라도 좋다.
예를 들어, 바이어스 전류의 온도 특성으로서 3종류의 선형 함수를 포함하는 특성을 갖게 하여 반도체 레이저를 구동하는 경우, 바이어스 전류 설정부 내에는 저온시 바이어스 전류 설정부, 고온시 바이어스 전류 설정부에 부가하여, 상온 부근시 바이어스 전류 설정부를 더 설치한다. 또한, 이들을 절환하는 소정의 온도는, 2점 결정한다(제1 소정의 온도 및 제2 소정의 온도. 또한, 제1 소정의 온도＜ 제2 소정의 온도로 함). 그리고 바이어스 전류 설정부는, 구동 온도가 제1 소정의 온도 미만인 경우, 저온시 바이어스 전류 설정부에 의해 바이어스 전류의 전류값을 설정하고, 구동 온도가 제1 소정의 온도 이상 또한 제2 소정의 온도 미만인 경우, 상온 부근시 바이어스 전류 설정부에 의해 바이어스 전류의 전류값을 설정하고, 구동 온도가 제2 소정의 온도 이상인 경우, 고온시 바이어스 전류 설정부에 의해 바이어스 전류의 전류값을 설정한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제1 선형 함수와 제2 선형 함수를 절환하는 구동 온도[즉, 본 실시 형태에서는 상온(Tr)]에 있어서는, 제1 선형 함수에 의해 구해지는 바이어스 전류값이, 제2 선형 함수에 의해 구해지는 바이어스 전류값과 동등하게 되어 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 즉, 제1 선형 함수와 제2 선형 함수를 절환하는 구동 온도(즉, 상기 소정의 온도)에 있어서는, 제1 선형 함수에 의해 구해지는 바이어스 전류값과, 제2 선형 함수에 의해 구해지는 바이어스 전류값이 서로 다른 값이라도 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는 도 1에 나타내는 실시 형태에 있어서, 바이어스 전류의 온도 특성을 제1 선형 함수와 제2 선형 함수로 절환하는 예에 대해 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 즉, 상기 바이어스 전류의 온도 특성의 절환은, 상술한 다른 실시 형태에 적용되어도 상관없다.
또한, 본 실시 형태에서는, 바이어스 전류 설정부(532)에 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)를 설치하고, 바이어스 전류의 온도 특성만을 구동 온도에 따른 복수의 종류의 선형 함수로 나타내고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 즉, 본 실시 형태에 관한 반도체 레이저 구동 방법에 있어서는, 구동 전류 설정부(233) 대신에, 구동 전류의 온도 특성이 서로 다른 선형 함수가 되는 저온시 구동 전류 설정부(533a) 및 고온시 구동 전류 설정부(533b)를 구비하는 구동 전류 설정부(533)[저온시 구동 전류 설정부(533a), 고온시 구동 전류 설정부(533b) 및 구동 전류 설정부(533)의 상세한 설명에 대해서는 후술함]를 설치하고, 이들을 구동 온도에 따라서 절환함으로써, 구동 전류의 온도 특성을 복수의 종류의 선형 함수로 나타내어도 좋다. 또한, 이 경우, 저온시 구동 전류 설정부(533a) 및 고온시 구동 전류 설정부(533b)는, 저항 등을 이용한 단순한 회로에 의해 구성할 수 있고, 또한 상기 특성은 저항의 설정값을 적절하게 변경함으로써 설정할 수 있다.
상기한 구성에 따르면, 구동 전류에 기인하는 소비 전력을 삭감할 수 있는 반도체 레이저 구동 장치의 실현이 가능해진다.
또한, 상기 구성을 갖는 광 송신 장치(2b)를, 면 발광 반도체 레이저 구동 회로 및 면 발광 반도체 레이저로 실현하는 경우, 그 회로 구성은 예를 들어 도 20에 도시하는 광 송신 장치(2c)가 된다.
도 20에 도시하는 광 송신 장치(2c)는, 전원(VCS)(51), 바이어스 전류 설정부(Ib Set)(532)와 구동 전류 설정부(Im Set)(533)를 구비하는 구동 제어부(531b)를 구비하는 출력 조정 회로(53b), 드라이버 회로(LDD)(54), 면 발광 반도체 레이저(55) 및 증폭 회로(IN-Buf)(57)를 구비하는 구성이다. 또한, 이 중에서, 전원(51), 출력 조정 회로(53b), 드라이버 회로(54) 및 증폭 회로(57)는 모두, 동일 기판 상(송신 IC)에 설치된다. 또한, 면 발광 반도체 레이저(55)는, 송신 IC와는 상이한 기판 상(VCSEL)에 설치되고, 광 전송 매체[예를 들어, 광 도파로(4)](56)를 통해 외부[예를 들어, 광 수신 장치(3)]에 접속된다.
전원(51)은, 증폭 회로(57) 및 출력 조정 회로(53b)에 전압(Vcc)을 공급함으로써, 증폭 회로(57) 및 출력 조정 회로(53b)를 구동하기 위한 전압원이다.
증폭 회로(57)는, 입력 단부가 광 송신 장치(2c)에 접속되는, 데이터 통신을 행하는 복수의 기판에 있어서의 송신측의 기판(도시하지 않음)의 외부 단자에 접속되고, 출력 단부가 드라이버 회로(54)에 접속된다. 이 증폭 회로(57)는, 전원(51)에 의해 구동되고, 상기 송신측의 기판으로부터의 외부 입력 신호("1" 및 "0"으로 이루어지는 2값의 전기 신호)를 증폭하고, 변조 신호 Ms-("0"의 신호를 나타내는 변조 신호) 및 Ms+("1"의 신호를 나타내는 변조 신호)로서 드라이버 회로(54)에 인가한다.
출력 조정 회로(53b)는 입력 단부가 전원(51)에 접속되고, 출력 단부 중 일단부가 드라이버 회로(54)에 접속되고, 타단부가「R」에 접속된다. 이 출력 조정 회로(53b)는 전원(51)에 의해 구동되고, 드라이버 회로(54)가 출력하는 바이어스 전류 및 구동 전류의 전류값을, 광 송신 장치(2c) 자신의 구동 온도의 변화에 따라서 변화시킨다.
여기서, 출력 조정 회로(53b)는 구동 제어부(531b)에, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)를 구비하는 바이어스 전류 설정부(532)와, 저온시 구동 전류 설정부(533a) 및 고온시 구동 전류 설정부(533b)를 구비하는 구동 전류 설정부(533)를 구비한다. 그리고 이 바이어스 전류 설정부(532) 및 구동 전류 설정부(533)는, 하기의 요령으로 바이어스 전류 및 구동 전류를 제어한다.
바이어스 전류 설정부(532)는 바이어스 전류의 온도 특성이 서로 다른 선형 함수가 되는 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)에 의해, 구동 온도에 따라서 당해 온도 특성을 절환한다. 즉, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)는, 서로 다른 선형 함수가 되는 온도 특성에 기초하여 바이어스 전류를 설정한다. 그리고 바이어스 전류 설정부(532)는, 구동 온도가 소정의 온도 미만인 경우, 저온시 바이어스 전류 설정부(532a)에 의해 바이어스 전류의 전류값을 설정하고, 구동 온도가 당해 소정의 온도 이상인 경우, 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)에 의해 바이어스 전류의 전류값을 설정한다.
또한, 구동 전류 설정부(533)는 구동 전류의 온도 특성이 서로 다른 선형 함수가 되는 저온시 구동 전류 설정부(533a) 및 고온시 구동 전류 설정부(533b)에 의해, 구동 온도에 따라서 당해 온도 특성을 절환한다. 즉, 저온시 구동 전류 설정부(533a) 및 고온시 구동 전류 설정부(533b)는, 서로 다른 선형 함수가 되는 온도 특성에 기초하여 구동 전류를 설정한다. 그리고 구동 전류 설정부(533)는 구동 온도가 소정의 온도 미만인 경우, 저온시 구동 전류 설정부(533a)에 의해 구동 전류의 전류값을 설정하고, 구동 온도가 당해 소정의 온도 이상인 경우, 고온시 구동 전류 설정부(533b)에 의해 구동 전류의 전류값을 설정한다.
그리고 구동 온도에 따른 제어 전압이 바이어스 전류 설정부(532)[저온시 바이어스 전류 설정부(532a) 및 고온시 바이어스 전류 설정부(532b)]에 인가된 경우, 바이어스 전류 설정부(532)는 당해 제어 전압을 기초로, 원하는 바이어스 전류의 온도 특성을 나타내는 신호(Vb)를 생성하고, 당해 신호(Vb)를 드라이버 회로(54)에 출력한다. 구동 전류 설정부(533)[저온시 구동 전류 설정부(533a) 및 고온시 구동 전류 설정부(533b)]에 대해서도 마찬가지로, 상기 제어 전압이 인가된 구동 전류 설정부(533)는, 당해 제어 전압을 기초로, 원하는 구동 전류의 온도 특성을 나타내는 신호(Vm)를 생성하고, 당해 신호(Vm)를 드라이버 회로(54)에 출력한다.
드라이버 회로(54)는, 한쪽의 입력 단부가 증폭 회로(57)에 접속되고, 다른 쪽의 입력 단부가 출력 조정 회로(53b)에 접속되고, 출력 단부가 면 발광 반도체 레이저(55)에 접속된다. 이 드라이버 회로(54)는 면 발광 반도체 레이저(55)에 바이어스 전류 및 구동 전류를 출력한다. 드라이버 회로(54)에는, 상기 출력 신호(Vb 및 Vm)와, 상기 변조 신호(Ms- 및 Ms+)가 입력된다. 드라이버 회로(54)는 출력 신호(Vb)를 기초로 바이어스 전류(Ib)를 생성하고, 출력 신호(Vm)를 기초로 구동 전류(Im)를 생성한다. 그리고 상기 변조 신호(Ms- 및 Ms+)에 의해, 바이어스 전류(Ib)와 구동 전류(Im)를 절환함으로써 직접 변조를 행하고, "1" 및 "0"의 2값의 신호를 생성하여, 당해 2값의 신호를 면 발광 반도체 레이저(55)에 출력한다.
면 발광 반도체 레이저(55)는, 드라이버 회로(54)로부터의 상기 2값의 신호에 따라서 발광함으로써 광 신호를 출력하는 것이며, 당해 광 신호를, 광전송 매체(56)를 통해 외부로 송신한다.
(제10 실시 형태)
상술한 실시 형태에서 설명한 구동 방법에 의해 구동하는 면 발광 반도체 레이저를 광원으로서 구비하는 광 배선 모듈에 의해, 데이터 통신을 행하는 기기의 일례를 도 18에 도시한다. 또한, 상기 광 배선 모듈의 구성은, 도 2에 도시하는 광 배선 모듈(1)과 동일한 구성이라도 상관없다.
도 18의 (a)는, 광 배선 모듈에 의해 데이터 통신을 행하는 휴대 전화의 개략도이다. 또한, 도 18의 (b)는 광 배선 모듈에 의해 데이터 통신을 행하는 휴대 전화의 내부 회로의 사시도이다.
도 18의 (a)에 도시하는 휴대 전화(30)는, 신호 처리 회로 기판(31)과, 표시부(33)를 구비하는 액정 드라이버 회로 기판(32)을, 광 배선 모듈(1)에 의해 접속하고 있다. 구체적으로는, 도 18의 (b)에 도시하는 바와 같이, 광 송신 장치(2)와 신호 처리 회로 기판(31)을, 광 수신 장치(3)와 액정 드라이버 회로 기판(32)을 접속하고, 또한 광 송신 장치(2)와 광 수신 장치(3)를 높은 굴곡성을 갖는 광 도파로(4)에 의해 접속하는 구성이다.
이에 의해, 휴대 전화(30)에 있어서의 신호 처리 회로 기판(31)과 액정 드라이버 회로 기판(32)의 사이에서의 데이터 통신이 가능해진다. 즉, 예를 들어 신호 처리 회로 기판(31)측에 저장한 정보를, 액정 드라이버 회로 기판(32)측에 구비된 표시부(33)에 표시하는 것이 가능해진다.
또한, 도 18의 (c)는 광 배선 모듈(1)에 의해 데이터 통신을 행하는 프린터의 개략도이다. 그리고 도 18의 (d)는, 광 배선 모듈(1)에 의해 데이터 통신을 행하는 프린터의 내부 회로의 사시도이다.
도 18의 (c)에 도시하는 프린터(40)는, 프린터 헤드(41)와 프린터 본체측의 기판(43)을 광 배선 모듈(1)에 의해 접속하고 있다. 구체적으로는, 도 18의 (d)에 도시하는 바와 같이, 광 송신 장치(2)와 프린터 본체측의 기판(43)을, 광 수신 장치(3)와 프린터 헤드(41)를 접속하고, 또한 광 송신 장치(2)와 광 수신 장치(3)를 높은 굴곡성을 갖는 광 도파로(4)에 의해 접속하는 구성이다.
이에 의해, 프린터(40)에 있어서의, 프린터 헤드(41)와 프린터 본체측의 기판(43)의 사이에서의 데이터 통신이 가능해진다. 즉, 예를 들어 도 18의 (c)에 있어서, 프린터 본체측의 기판(43)측에 저장한 문자나 화상에 관한 정보를 프린터 헤드(41)로 송신한다. 그리고 상기 정보를 수신한 프린터 헤드(41)는, 당해 정보로부터 상기 문자나 화상을 판독한다. 이에 의해, 프린터 헤드(41)는 용지(42)에 상기 문자나 화상을 인쇄할 수 있다.
본 발명은 상술한 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 청구항에 나타낸 범위에서 다양한 변경이 가능하고, 다른 실시 형태에 각각 개시된 기술적 수단을 적절하게 조합하여 얻어지는 실시 형태에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
본 발명의 반도체 레이저 구동 장치 및 반도체 레이저 구동 방법은, 저비용화, 공간 절약, 저전력화가 가능해지고, 또한 전체 구동 온도 범위에 걸쳐, 수신측에서 양호한 전송 특성 및 광 출력이 얻어지므로, 면 발광 반도체 레이저의 구동에 이용할 수 있는 것이다. 또한, 면 발광 반도체 레이저를 광원으로서 사용하는 광 배선 모듈, 나아가서는 당해 광 배선 모듈을 이용한 광 통신이나 광 네트워크, 광 인터커넥션 등의, 고속으로 대용량의 데이터 통신이 가능한 광 통신망에 이용할 수 있는 것이다.
1 : 광 배선 모듈
2a 내지 2c : 광 송신 장치
3 : 광 수신 장치
4 : 광 도파로(전송 매체)
22, 52 : 광 송신 장치 본체
23, 53a, 53b : 출력 조정 회로(출력 조정 수단)
24 , 54 : 드라이버 회로(구동 수단)
25 : 발광 소자(반도체 레이저)
30 : 휴대 전화(전자 기기)
40 : 프린터(전자 기기)
55 : 면 발광 반도체 레이저(반도체 레이저)
56 : 광 전송 매체(전송 매체)
232, 532 : 바이어스 전류 설정부(바이어스 전류 설정 수단)
532a : 저온시 바이어스 전류 설정부
532b : 고온시 바이어스 전류 설정부
233, 533 : 구동 전류 설정부(구동 전류 설정 수단)
533a : 저온시 구동 전류 설정부
533b : 고온시 구동 전류 설정부

Claims (26)

  1. 반도체 레이저에 대해, 변조 신호에 기초하여, 바이어스 전류, 또는 바이어스 전류 및 구동 전류를 인가함으로써, 당해 반도체 레이저로부터 광 신호를 출력시키는 구동 수단과,
    상기 구동 수단에 인가하는, 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 제어하는 출력 조정 수단을 구비하고,
    상기 출력 조정 수단은,
    상기 반도체 레이저의 구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 바이어스 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하는 바이어스 전류 설정 수단과,
    상기 구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 구동 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 구동 전류값을 설정하는 구동 전류 설정 수단을 구비하고,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성과 상기 구동 전류값의 온도 특성을, 서로 다른 함수로 하고,
    상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단은,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성[Ib(T)]을,
    Ib(T)＝rb?(T－Tr)＋Ib(Tr)
    [단, T:구동 온도, Tr:상온, Ib(Tr):상온(Tr)에 있어서의 바이어스 전류]
    로 설정하고,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기(rb)를,
    rb＝〔Ith(Th)－Ith(Tl)±γ〕/ΔT
    [단, Ith(Th):구동 온도 범위 내의 상한 온도(Th)에 있어서의 반도체 레이저의 임계값 전류값, Ith(Tl):구동 온도 범위 내의 하한 온도(Tl)에 있어서의 반도체 레이저의 임계값 전류값, ΔT:구동 온도 범위, 즉, 구동 온도 범위 내의 상한 온도(Th)－구동 온도 범위 내의 하한 온도(Tl), γ:소정의 바이어스 전류값, 또한 Ith(Th)－Ith(Tl)±γ≠0으로 설정됨]
    로 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  2. 반도체 레이저에 대해, 변조 신호에 기초하여, 바이어스 전류, 또는 바이어스 전류 및 구동 전류를 인가함으로써, 당해 반도체 레이저로부터 광 신호를 출력시키는 구동 수단과,
    상기 구동 수단에 인가하는, 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 제어하는 출력 조정 수단을 구비하고,
    상기 출력 조정 수단은,
    상기 반도체 레이저의 구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 바이어스 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하는 바이어스 전류 설정 수단과,
    상기 구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 구동 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 구동 전류값을 설정하는 구동 전류 설정 수단을 구비하고,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성과 상기 구동 전류값의 온도 특성을, 서로 다른 함수로 하고,
    상기 반도체 레이저는, 자신의 구동 온도에 대한 임계값 전류값의 온도 특성이, 종축이 당해 임계값 전류값이고 횡축이 당해 구동 온도인 그래프에 있어서 아래로 볼록한 곡선이 되고,
    상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단은,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성이, 적어도 구동 온도 범위 내의 하한 온도로부터 당해 구동 온도 범위 내의 상한 온도까지 기울기가 상이한 복수의 선형 함수로 구성되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단은,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성이, 적어도 구동 온도 범위 내의 하한 온도로부터 당해 구동 온도 범위 내에 있어서의 소정의 온도까지의 사이를 선형으로 변화하는 제1 선형 함수와, 당해 소정의 온도로부터 당해 구동 온도 범위 내의 상한 온도까지의 사이를 선형으로 변화하는 동시에, 당해 제1 선형 함수와는 기울기가 상이한 제2 선형 함수를 포함하는 함수가 되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반도체 레이저는, 자신의 구동 온도에 대한 임계값 전류값의 온도 특성이, 종축이 당해 임계값 전류값이고 횡축이 당해 구동 온도인 그래프에 있어서 아래로 볼록한 곡선이 되는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출력 조정 수단의 구동 전류 설정 수단은,
    상기 구동 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 선형 함수가 되도록 당해 구동 전류값을 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단은,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성[Ib(T)]을,
    Ib(T)＝rb?(T－Tr)＋Ib(Tr)
    [단, T:구동 온도, Tr:상온, Ib(Tr):상온(Tr)에 있어서의 바이어스 전류]
    로 설정하고,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기(rb)를,
    rb＝〔Ith(Th)－Ith(Tl)±γ〕/ΔT
    [단, Ith(Th):구동 온도 범위 내의 상한 온도(Th)에 있어서의 반도체 레이저의 임계값 전류값, Ith(Tl):구동 온도 범위 내의 하한 온도(Tl)에 있어서의 반도체 레이저의 임계값 전류값, ΔT:구동 온도 범위, 즉, 구동 온도 범위 내의 상한 온도(Th)－구동 온도 범위 내의 하한 온도(Tl), γ:소정의 바이어스 전류값, 또한 Ith(Th)－Ith(Tl)±γ≠0으로 설정됨]
    로 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출력 조정 수단의 구동 전류 설정 수단은,
    상기 구동 전류값의 온도 특성을, 반도체 레이저의 전류값을 바이어스 전류로부터 구동 전류로 상승시켰을 때의, 전류값의 변동에 대한 당해 반도체 레이저로부터의 출력광의 파워의 변동의 기울기인 슬로프 효율에 대해 반비례가 되는 함수 혹은 당해 함수를 근사한 근사 직선으로 하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 레이저는, 상기 광 신호를 수신하는 수광 소자를 구비하는 광 수신 장치에 대해, 당해 광 신호를 출력하는 것이며,
    상기 출력 조정 수단의 구동 전류 설정 수단은,
    상기 구동 전류값의 온도 특성을, 반도체 레이저의 전류값을 바이어스 전류로부터 구동 전류로 상승시켰을 때의, 상기 수광 소자에 있어서의 수광량에 대해 반비례가 되는 함수 혹은 당해 함수를 근사한 근사 직선으로 하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 레이저는, 상기 광 신호를 수신하는 수광 소자와 당해 수광 소자가 수신한 광 신호를 증폭하는 수신측 집적 회로를 구비하는 광 수신 장치에 대해, 당해 광 신호를, "1" 및 "0"으로 이루어지는 2값의 신호로서 출력하는 것이며,
    상기 출력 조정 수단은,
    상기 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을,
    구동 온도 범위 내에 있어서 상기 반도체 레이저로부터의 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도에 있어서의, 상기 "1"의 신호를 출력하는 경우에 있어서의 출력광의 파워와, 상기 "0"의 신호를 출력하는 경우에 있어서의 출력광의 파워의 비인 소광비가 소정값 이상의 값인 제1 조건과,
    상기 구동 온도 범위 내의 소정의 영역에 있어서, 상기 바이어스 전류값이 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값 이상인 제2 조건과,
    상기 구동 온도 범위 내의 전역에 있어서, 상기 광 수신 장치의 수광 소자에 있어서의 상기 광 신호의 수광량이, 상기 광 수신 장치의 수신측 집적 회로의, 수광이 가능한 입사광의 최소 파워인 최소 수광 감도 이상이 되는 제3 조건을 만족하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단 및 구동 전류 설정 수단은,
    상기 제1 조건을 만족하는, 상기 구동 온도 범위 내에 있어서 상기 반도체 레이저로부터의 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도(Tw)에 있어서의 바이어스 전류값[Ib(Tw)] 및 구동 전류값[Im(Tw)]을, 하기 수식
    〔Ib(Tw)＋Im(Tw)－Ith(Tw)〕/〔Ib(Tw)－Ith(Tl)〕≥E
    [단, Ith(Tw):Tw에 있어서의 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값, E:광 수신 장치에 의한 출력광의 수신이 가능한 소광비의 최소값]
    에 의해 결정하고,
    상기 제3 조건을 만족하는, 상기 구동 온도 범위 내에 있어서 상기 반도체 레이저로부터의 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도(Tw)에 있어서의 바이어스 전류값[Ib(Tw)] 및 구동 전류값[Im(Tw)]을, 하기 수식
    Im(Tr)≥－Ib(Tr)＋(r2－r1)?(Tw－Tr)＋Ith(Tw)＋(Pmin/αη)
    (단, r2:구동 전류값의 온도 특성의 기울기, r1:바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기, Pmin:최소 수광 감도, α:반도체 레이저와 광 수신 장치의 수광 소자의 사이의 경로에 있어서의 광 손실, η:슬로프 효율)
    에 의해 결정하고,
    상기 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을,
    상기 반도체 레이저를 내장하는 송신측 집적 회로의 특성에 의해 정해지는, 상기 바이어스 전류값의 상한값 및 구동 전류값의 상한값을 결정하는 제4 조건을 또한 만족하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 출력 조정 수단은,
    상기 구동 온도 범위 내에 있어서 상기 반도체 레이저로부터의 출력광의 파워가 최소가 되는 구동 온도를, 당해 구동 온도 범위 내의 하한 온도 혹은 상한 온도와 일치시키도록 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 제어하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단은,
    구동 온도 범위 내의 하한 온도와 상한 온도에 있어서, 상기 바이어스 전류값을 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값과 일치시키는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단 및 구동 전류 설정 수단은,
    상기 구동 온도 범위 내의 하한 온도 혹은 상한 온도에 있어서, 상기 바이어스 전류값을 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값과 일치시키는 동시에,
    상온에 있어서의, 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을,
    Im(Tr)＝－Ib(Tr)＋(r2－r1)?(Tw－Tr)＋Ith(Tw)＋(Pmin/αη)
    또한,
    Im(Tr)＝Im(Tw)－r2(Tw－Tr)
    의 관계를 만족하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단 및 구동 전류 설정 수단은,
    상기 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을,
    상온에 있어서의 소광비(Er)(단, Er＜E)가 소정값 이상의 값이 되는 제4 조건을 또한 만족하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  15. 제9항에 있어서, 상기 출력 조정 수단의 바이어스 전류 설정 수단 및 구동 전류 설정 수단은,
    상기 구동 온도가 상온인 경우에 있어서의 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을,
    상기 구동 온도 범위 내의 전체 범위에 있어서, 상기 출력광의 파워의 변동 폭이 소정값 이하의 값이 되는 제4 조건을 또한 만족하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성[Ith(T)]이, 하기 수식 (1)에 의해 나타내어지는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112012024912678-pct00047
    … (1)
    [단, Ith(Tr):상온에 있어서의 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값, T01:구동 온도에 대한 반도체 레이저의 이득 스펙트럼의 변동 폭을 규정하는 특성 온도, T02:구동 온도에 대한 반도체 레이저의 최대 이득의 감소량을 규정하는 특성 온도]
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성[Ith(T)]이, 하기 수식 (2)에 의해 나타내어지는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
    [수학식 2]
    Figure 112012024912678-pct00048
    … (2)
    [단, Ith(Tc):온도(Tc)에 있어서의 상기 반도체 레이저의 임계값 전류값, T01:구동 온도에 대한 반도체 레이저의 이득 스펙트럼의 변동 폭을 규정하는 특성 온도, T02:구동 온도에 대한 반도체 레이저의 최대 이득의 감소량을 규정하는 특성 온도, 또한 Tc≤구동 온도 범위 내의 하한 온도(Tl), 혹은 구동 온도 범위 내의 상한 온도(Th)≤Tc]
  18. 제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 반도체 레이저의 구동 온도에 대한 임계값 전류값의 온도 특성의 변동에 대해, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기(rb)의 허용 범위가,
    〔Ith(Th)A－Ith(Tl)A〕/ΔT≥rb≥〔(Ith(Th)C－Ith(Tl)C)/ΔT〕－α
    [단, Ith(Th)A:Ith(Th)－Ith(Tl)의 값이 가장 큰 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성에 있어서의 Ith(Th), Ith(Tl)A:Ith(Th)－Ith(Tl)의 값이 가장 큰 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성에 있어서의 Ith(Tl), Ith(Th)C:Ith(Th)－Ith(Tl)의 값이 가장 작은 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성에 있어서의 Ith(Th), Ith(Tl)C:Ith(Th)－Ith(Tl)의 값이 가장 작은 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성에 있어서의 Ith(Tl), 또한〔(Ith(Th)C－Ith(Tl)C)/ΔT〕－α≠0으로 설정됨]
    인 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 장치.
  19. 반도체 레이저에 대해, 변조 신호에 기초하여, 바이어스 전류, 또는 바이어스 전류 및 구동 전류를 인가함으로써, 당해 반도체 레이저로부터 광 신호를 출력시키는 구동 스텝과,
    상기 구동 스텝에서 인가하는, 상기 바이어스 전류값 및 구동 전류값을 제어하는 출력 조정 스텝을 포함하고,
    상기 출력 조정 스텝에서는,
    상기 반도체 레이저의 구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 바이어스 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 바이어스 전류값을 설정하고,
    상기 구동 온도에 기초하여, 당해 구동 온도에 대한 구동 전류값의 온도 특성이, 0 이외의 기울기를 갖는 함수가 되도록 당해 구동 전류값을 설정하고,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성과 상기 구동 전류값의 온도 특성을, 서로 다른 함수로 하고,
    상기 출력 조정 스텝에서의 바이어스 전류값은,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성[Ib(T)]을,
    Ib(T)＝rb?(T－Tr)＋Ib(Tr)
    [단, T:구동 온도, Tr:상온, Ib(Tr):상온(Tr)에 있어서의 바이어스 전류]
    로 설정하고,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성의 기울기(rb)를,
    rb＝〔Ith(Th)－Ith(Tl)±γ〕/ΔT
    [단, Ith(Th):구동 온도 범위 내의 상한 온도(Th)에 있어서의 반도체 레이저의 임계값 전류값, Ith(Tl):구동 온도 범위 내의 하한 온도(Tl)에 있어서의 반도체 레이저의 임계값 전류값, ΔT:구동 온도 범위, 즉, 구동 온도 범위 내의 상한 온도(Th)－구동 온도 범위 내의 하한 온도(Tl), γ:소정의 바이어스 전류값, 또한 Ith(Th)－Ith(Tl)±γ≠0으로 설정됨]
    로 설정하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저 구동 방법.
  20. 제1항, 제2항, 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 기재된 반도체 레이저 구동 장치와,
    자신의 구동 온도에 대한 임계값 전류값의 온도 특성이, 종축이 당해 임계값 전류값이고 횡축이 당해 구동 온도인 그래프에 있어서 아래로 볼록한 곡선이 되고, 상기 반도체 레이저 구동 장치로부터 입력되는 상기 바이어스 전류 및 구동 전류가 입력됨으로써 광 신호를 출력하는 반도체 레이저를 구비하는, 광 송신 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 반도체 레이저 구동 장치의 출력 조정 수단은,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성을 2종류 이상 갖고,
    상기 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성의 변동에 따라서, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성이 가변인 것을 특징으로 하는, 광 송신 장치.
  22. 제8항에 기재된 반도체 레이저 구동 장치와,
    자신의 구동 온도에 대한 임계값 전류값의 온도 특성이, 종축이 당해 임계값 전류값이고 횡축이 당해 구동 온도인 그래프에 있어서 아래로 볼록한 곡선이 되고, 상기 반도체 레이저 구동 장치로부터 입력되는 상기 바이어스 전류 및 구동 전류가 입력됨으로써 광 신호를 출력하는 반도체 레이저를 구비하는, 광 송신 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 반도체 레이저 구동 장치의 출력 조정 수단은,
    상기 바이어스 전류값의 온도 특성을 2종류 이상 갖고,
    상기 반도체 레이저의 임계값 전류값의 온도 특성의 변동에 따라서, 상기 바이어스 전류값의 온도 특성이 가변인 것을 특징으로 하는, 광 송신 장치.
  24. 제20항에 기재된 광 송신 장치와,
    상기 광 송신 장치가 출력한 상기 광 신호를 수신하는 광 수신 장치와,
    상기 광 송신 장치와 상기 광 수신 장치를 접속함으로써, 상기 광 송신 장치와 상기 광 수신 장치의 사이에서 데이터 통신을 행하는 전송 매체를 구비하는, 광 배선 모듈.
  25. 제22항에 기재된 광 송신 장치와,
    광 신호를 수신하는 수광 소자와 당해 수광 소자가 수신한 광 신호를 증폭하는 수신측 집적 회로를 구비하고, 당해 광 신호를, "1" 및 "0"으로 이루어지는 2값의 신호로서 수신하는 광 수신 장치와,
    상기 광 송신 장치와 상기 광 수신 장치를 접속함으로써, 상기 광 송신 장치와 상기 광 수신 장치의 사이에서 데이터 통신을 행하는 전송 매체를 구비하고,
    상기 광 수신 장치는, 상기 광 송신 장치가 출력한 상기 광 신호를 상기 전송 매체를 통해 수신하는 것을 특징으로 하는, 광 배선 모듈.
  26. 제24항에 기재된 광 배선 모듈에 의해 데이터 통신을 행하는, 전자 기기.
KR1020107002095A 2007-08-13 2008-08-08 반도체 레이저 구동 장치, 반도체 레이저 구동 방법, 광 송신 장치, 광 배선 모듈, 및 전자 기기 KR101184836B1 (ko)

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