JPH04181786A - 半導体レーザ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体レーザ駆動回路に関する。より詳細に
は、本発明は、半導体レーザを光源とした光通信システ
ム等の光送信機において使用される、光出力補償機能を
備えた半導体レーザ駆動回路の新規な構成に関する。

従来の技術 光通信等に使用する光送信器では、駆動回路にお′、）
で送信すべきデータｊこ対応して変調した駆動電流を半
導体レーザに供給することにより光信号によるデータ送
信を実現している。受信側では、この変調された光信号
を復調してデータの再生を行うが、ここで受信側の感度
に深く影響する特性として光信号の消光比がある。消光
比とは、２値信号のそれぞれに対応した２種の光強度の
比を意味し、受信側で２種の強度からなる光信号を有効
に検出するためには、送信側で出力する光信号の消光比
が安定してし）ることが極めて重要である。

第４図は、−船釣な半導体レーザ駆動回路の典型的な構
成例を示す図である。

同図に示すように、この駆動回路は、互いに相補的な入
力信号ＳＤおよびＳＤをベースに引加される１対のトラ
ンジスタＱ、およびＱ、から主に構成されて′Ｊ）る。

トランジスタＱ２のコレクタは半導体レーザＬＬを介し
て電源電圧Ｖ。０に接続されており、トランジスタＱ１
　およびＱ２のエミッタは共通接続されて接地に接続さ
れてし）る。

更に、この回路は、トランジスタＱ、およびＱ２のエミ
ッタにコレクタを共通接続されで、この回路の駆動電流
を供給するトランジスタ０、。と、トランジスタＱ２の
コレクタと単導体レーザＬＤとの接続点に接続され、半
導体レーザＬＤに流れるバイアス電流を供給してし）る
光出力自動制御回路（ＡＰＣ）とを備えてし）る。

以上のように構成された半導体レーザ駆動回路では、人
力信号ＳＤおよびＳＤのうち、反転入力端子百■がハイ
レベルの場合にトランジスタＱ。

が導通して半導体レーザＬＤに駆動電流を流し、非反転
入力端子ＳＤがハイレベルの場合にトランジスタＱ１が
導通する一方トランジスタＱ２が非導通状態となり、半
導体レーザＬＤは消光する。

従って、入力ＳＤおよびＳＤに印加されるデジタル電気
信号のレベルに応じて、駆動電流は半導体レーザＬＤを
間歇的に駆動する。

更に、自動出力制御回路Ａ　Ｐ　Ｃは、図示していな′
、）フォトダイオードにより半導体レーデＬＤの光出力
を検出し、バイパス電流路の電流量を制御する。即ち、
半導体レーザＬＤの光出力が不足している場合は半導体
レーザＬＤを流れるバイアス電流を増大させ、半導体レ
ーザＬＤの光出力が過大な場合には半導体レーザＬＤを
流れるバイアス電流を減少させるように帰還制御を行い
、光出力の平均値を常に一定に保つように動作する。

第５図は、上述のような光出力補償回路として使用する
ことができる回路例を示す図である。

同図に示すように、この光出力補償回路は、半導体レー
ザＬＤの後面から放出されるレーザ光をモニタするフォ
トダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤの発生する
直流電圧を非反転入力に受ける差動増幅器ＩＣ＋ｏと、
差動増幅器ＩＣ＋ｏの圧力をベースに印加されるトラン
ジスタＱ４とから主に構成されている。トランジスタＱ
４のコレクタは、第４図に示すように、半導体レーザＬ
Ｄの電流路に接続されている。また、差動増幅器ＩＣ，
。

の反転入力には送信光信号のもとになった再生信号が入
力されている。

以上のように構成された半導体レーザ駆動回路では、送
信すべき再生信号と異なる変動が送信光信号に生じた場
合に、この変動を打ち消すように半導体レーザＬＤに印
加される直流バイアス電流を変化させる。

発明が解決しようとする課題 上述のような構成の半導体レーザ駆動回路においては、
半導体レーザの闇値電流が増加したときに微分効率が低
下するという現象を利用して、半導体レーザＬＤに供給
するバイアス電流を帰還制御することにより半導体レー
ザＬＤの平均光出力を一定に保つように構成されている
。

しかしながら、例えば半導体レーザＬＤの周囲温度が上
昇した場合には半導体レーザＬＤの微分効率ηが劣化す
るので、半導体レーザＬＤの消光比が劣化する。このよ
うな場合、前述のような半導体レーザ駆動回路の構成で
は、発光時も消光時も同じ量だけ出力が増大したり減少
したりすることになる。

第６図；；、上述のような光圧力補償回路を備えた半導
体レーザ駆動回路において、半導体レーザの温度特性に
かかわりなく一定の光信号出力を維持するために必要な
変調電流を示すグラフである。

即ち、低い温度Ｔ１かる高ヒＡ温度Ｔ２に半導体レーザ
の温度が変化した場合、同図に示すように、半導体レー
ザの微分効率が変化し、同じ光信号出力を得るために必
要な駆動電流が変化する。

これに対して、前述のような従来の光出力補償回路によ
ってバイアス電流を調整しても、発光時も消光時も駆動
電流は同じように増減するので、半導体レーザＬＤの消
光比の劣化に対して有効な補償にはならない。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、半
導体レーザの温度特性よる微分効率ηの変動に起因する
消光比の劣化を有効に補償し、出力光信号の特性をより
安定させることができる新規な半導体レーザ駆動回路を
提供することをその目的としている。

課頌を解決するた約の手段 即ち、本発明に従うと、一方のトランジスタに負荷とし
て半導体レーザが接続された１対のトランジスタからな
る差動増幅回路と、人力信号から生成した差動信号を前
記１対の忙うンジスタの各ベースに印加するように構成
された差動信号発生回路と、前記差動増幅回路に流れる
駆動電流を供給する駆動電流源トランジスタと、前記差
動増幅回路の前記一方のトランジスタと前記半導体レー
ザとの間の接続点に接続されて前記主導体レーザにバイ
アス電流を供給するパアイス電流源トランジスタとを備
えた半導体レーザ駆動回路において、前記半導体レーザ
が出力する出力光信号の一部を受けてモニタ電流を出力
する受光素子と、該受光素子が出力するモニタ電流から
前記モニタ信号の交流成分の信号振幅を抽出する第１の
ピークホールド回路と、該受光素子が出力するモニタ電
流から前記モニタ信号の直流成分の信号振幅を抽出する
第２のピークボールド回路と、前記第１のピークホール
ド回路の出力を受；すで該出力が一定ｊ＝なるように前
記駆動電流源トランジスタを制御する回路と、前記第２
のピークホールド回路の出力を受けて該出力が一定にな
るように前記バイアス電流源トランジスタを制御する回
路とを含む光８力補償回路を備えることを特徴とする半
導体レーザ駆動回路が提供される。

作用 本発明に係る半導体レーザ駆動回路は、半導体レーザの
出力光信号から抽出したモニタ信号の直流成分と信号成
分とについてそれぞれ帰還制御を行い、出力光信号の平
均光パワーと消光比とをそれぞれ帰還制御する機能を有
していることをその主要な特徴としている。

従来の半導体レーザ駆動回路では、半導体レーザに供給
するバイアス電流を変化させることにより半導体レーザ
の平均光出力を一定に保つように構成されており、この
ような制御では、発光時も消光時も同じ量だけ出力が増
大したり減少したりする。従って、半導体レーザの微分
効率ηが劣化した場合の消光比の変動を有効に補償する
ことができなかった。

これに対して、本発明に係る半導体レーザ駆動回路は、
出力光信号を受光するモニタ用受光素子から出力される
モニタ信号から、その直流成分と信号成分とをそれぞれ
抽出し、出力光信号のｏ　−レベルに相当する直流レベ
ルと、圧力光信号の論理振幅に相当する信号成分の振幅
とに基づいて駆動電流とバイアス電流とをそれぞれ帰還
制御するように構成されている。

即ち、本発明に係る半導体レーザ駆動回路では、モニタ
用受光素子から出力されたモニタ電流が、直流ピークホ
ールド回路と交流ピークホールド回路とにそれぞれ入力
される。

ここで、直流ピークホールド回路は、モニタ電流から出
力光信号のローレベルに対応するレベルを抽出する。そ
こで、この圧力光信号のローレベルが一定になるように
、半導体レーザに印加されるバイアス電流に負帰還をか
ければ、出力光信号の平均出力レベルを安定化すること
ができる。

一方、交流ビー・フ丁　ルド回路；ま、モニタ電流かみ
信号振幅ｊ＝対応するレベルを抽出する。従って、ピー
クホールド回路が抽出した信号振幅が一定になるように
、単導体レーザ駆動回路の駆動電流に負帰還をか：すれ
ば、出力光信号の信号振幅を安定化させる二とができる
。

このように、本発明ｊ二部る半導体レーザ駆動回路は、
出力光信号の平均８カレベルと、出力光信号の信号振幅
とを―）ずれも安定化させる機能を有してし）る。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが
、以下の開示：′！本発明の一実施例に過ぎず、本発明
の技術的範囲を何ら限定するものではプ≦ニー）。

実施例 第１図は、本発明に従う半導体レーザ駆動回路の具体的
な構成例を示す図である。

同図に示すように、二の半導体レーザ駆動回路は、単導
体レーザ゛二りの変調電流の切替えを行う回路ａと、回
路ａの入力端に接続されたパルス幅歪補正回路すと、ト
ランジスタＱ３を介して単導体レーザＬＤのバイアス電
流を回路ａに対して供給する回路Ｃと、トランジスタＱ
、を介して単導体レーザ駆動回路ａの駆り電流を供給す
る回路ｄと、回路Ｃおよび回路ｄにモニタ信号を供給す
る回路ｅとをそれぞれ備えている。

回路ａは、エミッタを共通接続された１対のトランジス
タＱ、およびＱ２と、トランジスタＱ２のコレクタに接
続された半導体レーザＬＤとかみ構成されており、トラ
ンジスタ０、およびＱ２の各ベースに相補的な信号が印
加されるように構成されている。

また、回路ａにおし）で、半導体レーザＬＤとトランジ
スタＱ２との接続点には、エミッタを接地側に接続され
たトランジスタＱ３のコレクタがインダクタＬを介して
接続されている。このインダクタＬは、トランジスタＱ
３　により供給されているバイアス電流中の交流成分を
抑制するために挿入されている。このような回路ａにお
いて、半導体レーザＬ　Ｄに流れるバイアス電流：よ、
トランジスタ二３のベースに印加する電圧によって制御
することができる。

更に、回路ａにお°、）で、共通接続されたトランジス
タＱ１　およびＱ２のエミニＩりは、エミッタを接地側
に接続されたトランジスタＱ４　のコレクタが接続され
て″、）る。従って、回路ａを流れる駆動７４＆は、ト
ランジスタＱ４のベースに印加する電圧によって制御す
ることができる。

回路すは、３つのインバータ１１、■２、Ｉ３により構
成されて０）る。ＨＤち、インバータ１１：：、非反転
入力に人力信号ＳＤを、反転入力に人力°信号ＳＤを受
けており、反転出力と非反転出力とをそれぞれ備えてし
）る。インバータエ、の非反転出力はインバータＩ２の
非反転入力に、インバータ■１の反転出力はインバータ
■３の非反転入力に、それぞれ接続されている。また、
インバータ■３は、参照電圧発生回路Ｇかろ供給される
参照電圧をその反転入力に印加され、反転出力をインバ
ータＪ２の非反転入力に接続されてしへるっ従って、イ
ンノ＼−タＩユの非反転出力とインバータＩ３の反転出
力とは、ノードＮに形成されたワイヤード○Ｒを介して
インバータＪ２の非反転入力に接続されて°、）ること
になる。インバータ■２の反転入力には、やはり参照電
圧発生回路Ｇから供給されている参照電圧が印加されて
おり、その相補的な圧力は、それぞれ回路ａのトランジ
スタＱ１およびＱ２のベースに接続されている。

回路Ｃ：ま、ピークホールド回路Ｐ１と差動増幅器、へ
、とから構成されている。ピークホールドＰ１は、非反
転入力にモニタ信号を受ける差動増幅器Ａ３と、差動増
幅器Ａ３の出力をアノードに受けるダイオードＤ１　と
、ダイオードＤ１のカソードに一端を接続され他端を接
地されたコンデンサＣ１とから構成されている。ピーク
ホールド回路Ｐ１の出力は、差動増幅器Ａ１の非反転入
力に接続されている。差動増幅器Ａ１の反転入力には、
この半導体レーザ駆動回路の動作を有効または無効にす
るための信号ＲＴＳ、ｌ’２Ｔ３が印加されている。

尚、信号ＲＴＳは、ハイレベルのときに差動増幅器Ａ、
の参照電圧として参照される。

一方、回路ｄは、接続コンデンサＣＯとピークホールド
回路Ｐ２と差動増幅器Ａ２とから構成されている。ピー
クホールドＰ２は、接続コンデンサＣ８を介して非反転
入力にモニタ信号を受ける差動増幅器Ａ、と、差動増幅
器へ〇の出力をアノードに受けるダイオードＤ２と、ダ
イオードＤ２のカソードに一端を接続され他端を接地さ
れたコンデンサＣ２とから構成されている。ピークホー
ルド回路Ｐ２の出力は、差動増幅器Ａ２の非反転入力に
接続されている。差動増幅器Ａ２の反転入力には、この
半導体レーザ駆動回路の動作を有効または無効にするた
ｔの信号ＲＴＳ、Ｒ丁百が印加されている。尚、信号Ｒ
ＴＳは、ノ１イレベルのときに差動増幅器Ａ２の参照電
圧として参照される。

更に、回路ｅは、半導体レーザＬＤの出力する光信号の
一部を受光してモニタ電流を出力するフォトダイオード
ＰＤと、フォトダイオードＰＤの出力するモニタ電流を
電圧信号に変換する増幅器Ａ、とから構成されている。

ここで、増幅器Ａ。

は、その８カと人力とを抵抗Ｒを介して短絡されており
、反転増幅器として動作してし）る。

以上のように構成された半導体レーザ駆動回路は以下の
ように動作する。

回路ａにおいて、非反転入力端子ＳＤが／Ｓイレベルの
場合には、トランジスタＱ２が導通して半導体レーザＬ
Ｄに駆動電流が流れる。一方、反転入力端子ＳＤがハイ
レベルの場合には、トランジスタＱ１が導通する一方、
トランジスタＱ２が非導通状態となり、半導体レーザＬ
Ｄは消光する。

従って、人力ＳＤおよびＳＤに印加されるデジタル電気
信号のレベルに応じて、駆動電流は半導体レーザＬＤを
間歇的に駆動する。

ここで、回路すは、人力された互いに相補的な人力信号
ＳＤおよびＳＤを、インバータＩＩにそれぞれ人力する
。インバータ１１の反転比力は、インバータ■３の非反
転入力に人力され、インノ１′−タＩ３の反転出力とイ
ンノ１−タ■１の非反転出力との論理和がインバータ■
２の非反転入力に人力される。インバータ■３により入
力信号ＳＤが参照電圧で波形整形され、更に、反転され
た信号がワイヤーＦＯＲにより人力信号ＳＤに加算され
て、インバータ２に入力される。インノ＼−タ■２の反
転入力には、インバータエ。の反転入力と同じ参照電圧
が印加されており、インバータＩ２は入力信号ＳＤを参
照電圧で波形整形する。従って、インバータＩ２の互い
に相補的な１対の出力かろの出力信号は、入力信号ＳＤ
、ＳＤに対応した信号が出力されるが、この出力信号波
形は、人力信号のパルス幅に、インバータ■３における
遅延分が重畳されたパルス幅を有する信号となっている
。

即ち、このようにパルス幅が広くなるように補正するこ
とにより、半導体レーザの立ち上がり特性に起因するパ
ルス幅歪みを補償することができる。

一方、回路ｅから出力されるモニタ信号は、回路Ｃおよ
び回路ｄにそれぞれ人力される。

ここで、回路Ｃは、ピークホールド回路Ｐ１によりモニ
タ信号のローレベルを抽出し、差動増幅器Ａ１を介して
モニタ信号のローレベルに対応した電圧をトランジスタ
Ｑ３のベースに印加する。

従って、例えば、半導体レーザＬＤの出力する光信号出
力が低下した場合、半導体レーザＬＤに流れるバイアス
電流が増加し、光信号出力が大きくなる。一方、半導体
レーザＬＤの出力する光信号出力が増加した場合、半導
体レーザＬＤに流れるバイアス電流が低下し、光信号出
力が小さくなる。

このように、第１の光出力補償回路Ｃにより、半導体レ
ーザＬＤの光出力が安定する。

また、回路ｄは、コンデンサＣ８を介して接続されたピ
ークホールドＰ２により、モニタ信号の交流成分の振幅
を抽出し、差動増幅器Ａ２を介してモニタ信号の信号振
幅に対応した電圧をトランジスタ０．のベースに印加す
る。従って、例えば、半導体レーザＬＤの出力する光信
号の振幅が減少した場合、回路ａに流れる駆動電流を増
加させ、出力光信号の振幅を大きくする。一方、半導体
レーザＬＤの出力する光信号の振幅が増加した場合、回
路ａに流れる駆動電流を減少させ、出力光信号の振幅を
小さくする。このように、第２の光出力補償回路ｅによ
り、半導体レーザＬＤの出力する光信号の振幅が安定化
される。

尚、第１図に示した回路において、制御信号ＲＴＳがハ
イレベルのときには、差動増幅器Ａ１の逆相人力にはロ
ーレベルが、差動増幅器Ａ２の正相入力にはハイレベル
がそれぞれ印加される。従って、これらの各レベルが各
差動増幅器Ａ、、Ａ２の参照電圧となり、上記の説明の
通り、半導体レーサ駆動回路が有効に動作する。

一方、制御信号ＲＴＳがローレベルのとき、差動増幅器
、へ１の逆相人力にはハイレベルが、差動増幅器Ａ２の
正相入力にはローレベルがそれぞれ印加される。従って
、各差動増幅器ＡＩ　、Ａ２からトランジスタＱ３、Ｑ
、のベースに印加される電圧が強制的に低下され、回路
ａに対するバイアス電流も駆動電流も、実質的に遮断さ
れる。従って、半導体レーザＬＤは、発光しなくなる。

第３図（ａ）は、上述のように構成された本発明に係る
光出力補償回路を備えた光送信回路の動作を確認するた
めのシステムの構成を示す図である。

同図に示すように、このシステムは、信号発生装置３０
により発生された信号を、差動ドライノ＼３１を介して
本発明に係る半導体レーザ駆動回路３２に供給するよう
に構成されている。また、この単導体レーザ駆動回路３
２の発生した光信号は、光ファイバ３３を介して光／電
気信号変換器３４に人力され、光／電気信号変換器３４
の出力する電気信号の信号波形並びに信号レベルをオン
ロスコープ３５によって監視することができるように構
成されてコ１）る。

第１図に示したような半導体レーザ駆動回路並びに光出
力補償回路を作製して、第３図（ａ）に示すようなシス
テムによってその動作を観察したところ、第３図（ｂ）
に示すような信号波形が観測された。

この出力信号波形から、半導体レーザ駆動回路の運転時
間が経過したり周囲温度が変化したりしても、出力光信
号の消光比ＰＩ／Ｐ２が実質的に変化しない二と、およ
び、零レベルに対する信号の平均レベルＰ、／２が変化
しないことが確認され実４施例２ 第２図（ａ）は、本発明に係る単導体レーデ駆動回路の
他の構成例を示す図である。尚、第２図に示す単導体レ
ーザ駆動回路は、そのピークホールド回路のうちのひと
つの構成のみが第１図に示した回路と異なっており、池
の構成要素は共通である。

そこで、第１図と同じ構成要素には同じ参照番号を付し
て、その詳細な説明は省略している。

第１図に示した半導体レーザ駆動回路におけるピークホ
ールド回路Ｐ２に相当する、この半導体レーザ駆動回路
のピークホールド回路ＰＩＯは、位相分配器１１０と、
○Ｒアゲ−０，０と、ローパスフィルタＦＩＯとから構
成されており、入力されたモニタ信号の交流成分を抽出
するピークホールド回路として動作する。

即ち、第２図（ｂ）；ま、第２図（ａ）に示した回路の
うち、ピークホールド回路Ｐ＋ｏの動作を説明するため
の図であり、第２図（ａ）中に示した個所ｐ−ｔにおけ
る信号波形を示している。

同図に示すように、位相分配器１１０の人力ｐｊ＝おけ
る信号波形は、モニタ回路ｅから供給されるモニタ信号
の交流成分である。この信号を人力された位相分配器Ｉ
＋ｏは位相が互いにπだけずれた１対の信号を出力ｑ、
ｒから出力する。これちの信号は、ＯＲ回路０＋ｏにお
いて加算され、ＯＲ回路０１０の出力Ｓかちは両者の論
理積が出力される。

この信号を、ローパスフィルタＦ＋ｏにおいて整形する
ことにより、モニタ信号の振幅に対応した直流信号がロ
ーパスフィルタＦＩＯの出力ｔから出力されろ。

発明の詳細 な説明したように、本発明に係る半導体レーザ駆動回路
は、光出力平均値を一定に保持する機能を有すると同時
に、出力光信号の消光比を一定に保持する機能をも有し
ている。従って、半導体レーザを光源とする光送信機等
に有利に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る半導体レーザ駆動回路の具体的
な構成例を示す回路面であり、第２図（ａ）は、本発明
に係る単導体レーザ駆動回路の他の具体的な構成例を示
す回路図であり、第２図（ｂ）は、第２図（ａ）に示し
た回路の動作を説明するためのグラフであり、 第３図（ａ）およびら）は、第１図に示己た回路の動作
を確認するた袷に使用したンステムの構成例とその動作
を説明するた約の図であり、 第４図は、−船釣な半導体レーザ駆動回路の構成を示す
図であり、 第５図は、第４図に示す半導体レーザ駆動回路において
使用されていた従来の光出力補償回路の具体的な構成例
を示す図であり、 第６図は、第５図に示した回路の動作を説明するための
グラフである。 ７主な参照符号〕 ＡｏｌＡｌ、Ａ２、Ａ３、Ａ４　・・・増幅器、Ｃｏ、
ＣＩ、Ｃ２”’ニンデンサ、 Ｄ、、Ｄ２　・　・　・ダイオード、 Ｇ・・・参照電圧発生回路、 Ｉ、、Ｉ２．１．　　・・・インバータ、ＬＤ・・・単
導体レーザ、 ＰＤ・・・フォトダイオード、 Ｐ　１　、Ｐ　２　、Ｐ　Ｉ　Ｏ・・・ピークホールド
回路、口１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４・・・トランジスタ、Ｒ
・・・抵抗 特許出願人　　住友電気工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一方のトランジスタに負荷として半導体レーザが接続さ
   れた１対のトランジスタからなる差動増幅回路と、入力
   信号から生成した差動信号を前記１対のトランジスタの
   各ベースに印加するように構成された差動信号発生回路
   と、前記差動増幅回路に流れる駆動電流を供給する駆動
   電流源トランジスタと、前記差動増幅回路の前記一方の
   トランジスタと前記半導体レーザとの間の接続点に接続
   されて前記半導体レーザにバイアス電流を供給するバア
   イス電流源トランジスタとを備えた半導体レーザ駆動回
   路において、 前記半導体レーザが出力する出力光信号の一部を受けて
   モニタ電流を出力する受光素子と、該受光素子が出力す
   るモニタ電流から前記モニタ信号の交流成分の信号振幅
   を抽出する第１のピークホールド回路と、 該受光素子が出力するモニタ電流から前記モニタ信号の
   直流成分の信号振幅を抽出する第２のピークホールド回
   路と 前記第１のピークホールド回路の出力を受けて該出力が
   一定になるように前記駆動電流源トランジスタを制御す
   る回路と、 前記第２のピークホールド回路の出力を受けて該出力が
   一定になるように前記バイアス電流源トランジスタを制
   御する回路と を含む光出力補償回路を備えることを特徴とする半導体
   レーザ駆動回路。