JPS5851435B2 - 発光素子の駆動方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光通信の発光源として使用されるレーザ、発光
ダイオード等半導体を用いた発光素子の駆動方式に関す
るものである。

一般に半導体を用いた発光素子たとえば半導体接合レー
ザは小形、軽量、高効率なレーザであり、加えて数百Ｍ
ｂ／Ｓまたはそれ以上の変調速度で直接変調が可能であ
るところから、光通信に最も有望な光源と考えられてい
る。

しかしながら実用化を考えると、上記の特徴は大体溝た
されるものの、伝送品質上から厳しい制約が加わり、変
調特性の応答光波形等についても幾多解決すべき問題点
が存在する。

従来、半導体接合レーザの高速変調特性についてはたと
えば半導体接合レーザに固有な発振遅延時間および緩和
振動に基くパターン効果および波形劣化の問題があり、
この問題に対しては駆動回路による補償法、光注入によ
る緩和振動の抑圧等幾つかの解決方法が提案されている
。

これらの高速変調時の問題の他に、主に数＋Ｍｂ／Ｓ以
下の比較的低速変調時に顕著となるパターン効果の問題
点がある。

すなわち第１図および第２図に、低速変調時の駆動電流
波形とそれに対応する光出力波形を示す。

第１図、第２図とも駆動電流波高値が一定であるにも拘
らず光応答波形は一定ではなく、とくに“１″ビツト連
続により光出力パルス波高値が徐々に小さくなっている
。

第２図は第１図における場合よりもさらに低い変調速度
で観測される現象である。

′１”ビット連続において波高値が徐々に小さくなって
いく問題の外に１つのパルスの応答波形自身に落ち込み
（サグ）を生ずる。

このような光パルス列がたとえばＰＯＭ通信において使
用される場合、アイ劣化として表現され、伝送品質を著
るしく低下させる。

本発明者らはこの原因を究明し対策を講するため各種の
理論解析と実験を行ない、この原因が変調電力の変化に
基づく熱効果によるものであることを確め、これを解決
する手段として本発明を提案したものである。

本発明の目的は低速変調時の駆動電流に対する光応答波
形の劣化を改善した発光素子の駆動方式を提供すること
である。

そしてこの目的は本発明によれば、半導体を用いた発光
素子の駆動方式において、変調信号と該変調信号の積分
値とを振幅を調整し位相を合わせて波形合成することｌ
こより得られた補償信号または該補償信号と適当な直流
電流とを重畳した信号により駆動することを特徴とする
発光素子の駆動方式を提供することによって遠戚される
。

以下本発明の原理と実施例につき詳述する。

半導体接合レーザは第３図に示すようにしきい値電流を
有している。

一方このしきい値電流はで示される温度依存性を有して
いる。

ここでＩｔｈ：Ｌきい値電流 Ｔｊ；半導体レーザの接合部温度 ■ｔｈｓ ＊ Ｔｏ ’固有の定数 である。

いま仮りに接合部温度が１０℃上昇したとする。

そして変化前のしきい値電流Ｉｔｈを１５０ｍＡ、 Ｔ
ｏ＝ １００’にとする。

この時式（１）を近似して、 となるから、■１ｈ−１５０ｍＡ、ｊＴｊ−１０００゜
Ｔｏ＝ １００’にとすると式（２）よりＡ ■ｔｈ−
１５７７ＬＡ となる。

一方第３図に典型的な半導体接合レーザの電流対光出力
特性が示される。

この特性の傾きは上記温度範囲内では殆ど変化がない。

従って上記温度変化において、しきい値が１５ｍＡ上昇
したとすると、その時第３図より明らかなように信号電
流１７０７７１Ａの場合光出力はその自然放出光を除い
て考えると約２５％に低下する。

さて第４図に示す駆動方法はパルス毎に電流値が変り乍
ら光パルスが出力するものとする。

この場合には一つ一つのパルスに応じて半導体接合部に
おいて消費される変調電力が変化し、その結果接合部の
温度変化が生じるものと考えられる。

たとえば半導体レーザの順方向電圧を１．８ボルト、変
調駆動電流波高値を１７０７ｒＬＡとすると、電流がな
いときに比較して Ｐ＝１．８Ｘ０．１７０＝０．３０６Ｗ だけの電力が接合部で消費されることになる。

方この電力はある熱抵抗により外部へ逃げるが、その際
この抵抗により接合部の温度上昇がある。

いまこの熱抵抗を３０℃／Ｗと仮定すると、ＪＴｊ ＝
Ｐ−Ｒ＝ ０．３０６ Ｘ ３０’Ｃ／Ｗ＝ ９．２℃
だけの温度上昇が起る。

前述したように、この温度変化により光出力は約７５％
も変化する。

このことは駆動電流そのものの変化ｌこより光出力が変
化する可能性を示している。

一方第５図に示すような階段状電流に対応する光応答波
形が得られた。

この応答は単純な指数関数的な応答を示しており、その
時定数は約２００ｎＳ（チノ秒）程度であった。

以上のような考察、検討を通して低速変調時におけるパ
ターン効果が変調電力の変化に基づく熱効果によるもの
であることが推定されたから、第６図に示すモデルを設
定しＲＺパルス列に対応する光出力波形の解析および実
験を行なった。

第６図ａは半導体接合レーザの接合部とマウント部と雰
囲気の間の熱等価回路を示したものである。

すなわち接合部とマウント部の温度をＴｊとＴＭとしそ
の間に熱容量Ｃ・と熱抵抗Ｒｊの並列回路を接続し、マ
ウント部と雰囲気の間に熱抵抗ＲＭを接続したものであ
る。

同図すはこの半導体接合レーザの電流対光出力Ｐ−Ｉ特
性および電流対電圧Ｖ−Ｉ特性を示したものである。

このような半導体接合レーザのパルスパターンに対応す
る光出力波形の計算値（実線）と実測値（点線）を第７
図に示し、第８図にそれに対応する接合部の温度変化の
計算値を示す。

第７図より計算値、実測値がよく一致し、第８図よりパ
ターン効果の原因が接合部の温度変化によるものである
ことが明らかとなり、またこの他に変調信号電流パルス
幅による光出力波形の変化、変調条件（信号電流、バイ
アス電流値）による光出力波形の変化等の計算結果が実
測値により十分裏付けられた。

以上の結果により、上記パターン効果が変調電力の変化
に基づく熱効果によることであることが分り、併せて第
６図に仮定したモデルが正しいことが実証された。

またとくｌこ第２図に示すような複雑な応答も１つの熱
時定数を有する熱等価回路で説明できることが分った。

以上の説明より、比較的低速の変調速度で顕著となるパ
ターン効果の原因が明らかとなった。

即ちこの原因は■変調電力が変化すると、■接合部温度
が変化し、■しきい値が上昇し、■光出力が変化するこ
とによるものである。

これらの時間的変化は主に接合部から半導体レーザを装
てんしているマウント迄の熱抵抗及び熱容量により定ま
る。

従ってその変化は主にこれらによって定まる熱時定数に
よって決定される。

そこで本発明はこのパターン効果の原因ｌこ基きこのパ
ターン効果を抑圧する手段として、変調信号の各パルス
波形とパルスパターンに対して、半導体接合レーザに一
定の変調信号を加えた時の変化分だけ予め補正しておき
、この補正した変調信号により半導体接合レーザを駆動
するように構成されるものである。

第９図は本発明の実施例の構成を示す説明図である。

同図において、変調信号１を２分岐してその一方の変調
信号２を積分回路５に入力する。

この積分回路５の出力を増幅器６で増幅した波形８と、
元の変調信号１を位相回路３と増幅器４を通してその位
相と振幅を調整した波形とを和回路７で重ね合わせて出
力波形９を得て、これを増幅器１０を通して半導体接合
レーザ１１を駆動し、変調された光出力１２を得る。

この場合積分回路５の時定数は第６図ａに示した半導体
接合レーザ１１の接合部とマウント部との間の熱抵抗Ｒ
ｊと接合部の熱容量Ｃｊとで決まる時定数に一致させれ
ばよい。

この時定数はたとえば半導体接合レーザの光出力のステ
ップ応答を観測し、その結果得られる光出力波形の時定
数を直接オツシロスコープ等により観測することによっ
て得られる。

またこのステップ応答の波形はその半導体接合レーザの
しきい値電流の温度変化に関連して補正することにより
、さらに精度の良い補償を行なうことができる。

第１０図は第９図の実施例の動作波形図である。

同図ａは変調信号またとえばパルスコード変調（ＰＧ！
Ｍ）の１例である。

この変調信号に比例した電流により直接半導体接合レー
ザを駆動した時得られる光出力を同図すに示す。

ここでは簡単のため同図ａに示す電流により説明するが
、一般に直流電流に同図ａに示す信号電流が重畳した駆
動電流の場合もそのまま適用できる。

同図ａの信号に比例した変調信号２を積分回路５を通し
て増幅して得られる積分回路出力８を同図Ｃに示す。

この信号８に対し元の変調信号を位相器３で位相関係を
調整し適当な比率に増幅して和回路７で重ね合わせた信
号波形９を同図ｄに示す。

この信号波形９に比例した電流により半導体接合レーザ
１１を駆動したとき得られる光出力１２を同図ｅに示す
。

すなわち、同図ｄｌこおいて、１つのパルス波形ｌこお
けるサグは“イ”の部分で補償するとともに、連続して
いるパルスの場合に光パルス波高値が徐々に下ってくる
部分は“口”の部分によって補償することとなる。

このようにして第１図に示すパターン効果は生ずるが波
形のサグは生じない場合でも第２図に示す両者を生ずる
場合でも自動的に補償することができるものである。

即ち本発明においては、第９図におけるレーザを駆動す
る信号９を第１０図ｄに示す如く、部分■及び部分＠を
サブの時定数及びサブの大きさより決定される量だけ補
償するものであり、これ１こより光出力のサブ及び“１
”ビット連続１こおける光出力の波高値の減少を防ぐこ
とができる。

尚本発明は信号９を第１０図ｄの如く変換できる回路な
らばどのような補償回路を用いてもよく第９図の実施例
に限定されるものではない。

第１１図は本発明の他の実施例の構成を示す説明図であ
る。

本出願人による既提案の半導体レーザの出力安定化方式
を本発明に適用し、光応答波形を改善した上さらに安定
した出力を得ようとするものである。

同図において第９図に付加した構成は、半導体接合レー
ザ１１の光出力のモニタ出力を受光素子１３で受光しこ
れを積分回路５の時定数に比して十分大きい時定数をも
つ積分回路１４と増幅回路１５を通して信号波形１６を
得て、これを第９図の積分回路出力波形８と差回路１７
で差を求めて増幅器１８を通して適当な大きさとして和
回路７に加える。

このように本発明の第９図の実施例回路出力を出力安定
化ループで負帰還させたものであり、本発明による光応
答波形を改善する効果に加えて出力を安定化する効果を
もたせることができる。

以上説明したようｔこ、本発明によれば、第９図または
第１１図は構成により、第１０図ｄに示すようなあらか
じめ、補正された駆動電流を作り、これにより半導体接
合レーザ等の発光素子を駆動すれば、パターン効果すな
わち光パルス尖頭値変動および１つのパルス波形におけ
るサグをともに補償して光応答波形を改善し光通信にお
ける伝送品質を格段に高めることが可能となる。

また本発明に出力安定ループを付加することにより実用
上の利益が著しく大きくなることは明らかである。

尚、以上の実施例においては変調信号をＲＺパルスによ
り説明したが、ＮＲＺパルスにおいても同様に適用でき
ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来の低速変調時の光応答波形の説明
図、第３図〜第８図は本発明の原理説明図、第９図は本
発明の実施例の構成を示す説明図、第１０図は第９図の
実施例の動作波形図、第１１図は本発明の他の実施例の
構成を示す説明図であり、図中、１は変調信号、３は位
相回路、４，６゜１０は増幅器、５は積分回路、７は和
回路、１１は半導体接合レーザ、１２は変調された光出
力を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体を用いた発光素子の駆動方式において、変調
   信号と該変調信号の積分値とを振幅を調整し位相を合わ
   せて波形合成することにより得られた補償信号または該
   補償信号と適当な直流電流とを重畳した信号により駆動
   することを特徴とする発光素子の駆動方式。 ２ 前記積分の時定数を発光素子の光出力のステップ応
   答の時定数に等しくなるようにすることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の発光素子の駆動方式。 ３ 半導体を用いた発光素子の駆動方式において、変調
   信号と該変調信号の積分値とを振幅を調整し位或を合わ
   せて波形合成した補償信号または該補償信号と適当な直
   流電流とを重畳した信号により駆動するとともに、駆動
   された発光素子の光出力をモニタしそのモニタ信号の積
   分値の振幅を調整し前記変調信号の積分値に差動的に合
   成したことを特徴とする発光素子の駆動方式。