JPS627233A - 半導体レ−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】 （２）技術分野 この発明は半導体レーザの駆動回路に関する。

半導体レーザは、光通信に於て、高速パルス変調の可能
な発光素子のひとつである。

半導体レーザを高速光通信の光源として用いる場合、消
光状態から発光状態への遷移に於て、１　ｎ５ｅｃ程度
の遅延時間がある。

これは、半導体レーザの非線型性による緩和振動が原因
になって起る遅延である。アナログ変調の場合は、線型
領域ばかシを使うからこの遅延は顕在化しない。

しかし、デジタル光信号を送る場合、消光状態から発光
状態への遷移は頻繁に起るので、この遷移にともなう遅
延の存在は深刻な問題と々る。この遅延によって、光の
パルス変調信号にジッタが生ずる事になるからである。

第３図に半導体レーザの順方向電流と、これによる光出
力特性を示す。パラメータは温度である。

いずれの温度に於ても、電流ＩＦと光出力Ｐｏとの関係
は折線状になる。

最初、電流ＩＦを増しても、光は殆ど発生しない。ある
点Ｉｃで、光出力Ｐ０の増加率は急に大きくなる。この
点を仮に閾値電流Ｉｃという。

電流−光出力カーブのこのような非線型性のため、電流
変化がＩｃを下から上へ変化する場合に、前、記の緩和
振動が発生する。

Ｉｃを上から下へ切る場合には、このような遅延はない
。つまシ発光状態から消光状態への遷移に於て、このよ
うな遅延の問題は起こらない。

遅延が一様に起るのではなく、消光から発光への変化に
際してのみ起る。さらに遅延時間は、温度に関して一定
なわけではなく、温度によって変動する。

一般に温度が高くなると、遅延時間は短くなる。

イ　従来技術とその問題点 高速パルス変調を行う半導体レーザ駆動回路は、この問
題を避ける必要がある。

従来、２とおシの方法が用いられてきた。

（１１Ｒ７：符号（リターンゼロ）を用いる変調方式（
２）半導体レーザの光出力の平均値を監視し、平均値を
一定にするようなバイアス電流を与える方式 （１）について説明する。第４図に伝送符号とＮＲＺ（
ノンリターンゼロ）、ＲＺ（リターンゼロ）、光信号を
対応させて示す。

伝送符号が囁０“であれば、Ｌ状態、鬼１“であれば１
Ｈ“状態を対応させるのがＮＲＺ符号である。

これをそのまま半導体レーザの変調駆動に使うと０→１
の立上シでジッタが生ずる。

ＲＺ符号は、％Ｏ“であればＬ状態という点は変わらな
いが、１１”である時は最初％Ｈ“としパルスの半ばで
ＨからＬに落すような信号である。この信号であっても
、その１１使うと、信号の変化が起る時に遅延の効果が
顕われるので望ましくない。

そこで、ＲＺ符号を反転して駆動電流とし、これによっ
て半導体レーザを駆動する。これが第４図（ｄｌの光信
号である。信号の変化がある時に、レーザの消光状態か
ら発光状態の遷移が対応していない。

符号のＯから１の遷移は、レーザ光の立下シ４１．４２
．４３に対応する。これは発光から消光への遷移である
ので、遅延の問題がない。

符号の１からＯへの遷移は点４７に対応する。

これは発光状態のままであるので、遅延の困難とは無縁
である。

発光状態への遷移は立上シ４４．４５．４６に対応し、
ここに発光遅延の影響が現われる。しかし、ＲＺ符号を
反転したものであるから、中間の立上シ４４．４５．４
６は、符号変化のタイミングを規定するものではない。

従って、中間の立上シに遅延が存在してもなんら差支え
はない。

消光時間はバμス伝送周期の１／２であって一定である
。このため光パルス変調信号のジッタは生じない。

しかし、ＲＺ符号を用いると、ＮＲＺ符号を用いる時に
比べて、２倍の速さで信号変化が起らなければならない
。つまシ、伝送路に要求される帯域が、ＲＺ符号の場合
、ＮＲＺ符号の時に比べて２倍になってしまう。帯域に
は制限があるので、ＲＺ符号を用いるという事は、高速
パｐス通信に於て極めて不利である。

伝送容量を大きくするためにはＮＲＺ符号を用いたいと
いう要求が強い。

平均値を監視し、バイアス電流を調整するという方式は
、第３図に於て、電流が閾値電流Ｉｃを上下に通過する
、という事を回避し、線型部分（ＩＦ＞ＩＣ）のみを使
うものである。しかし、単に線型部分を使うというので
あれば、光信号のＨ状態とＬ状態（完全に消光状態では
ない）の差が決まっても、Ｈ状態、Ｌ状態のレベルが定
まらない。

そこで、レーザ光出力の平均値を求めて、これを一定に
するようにバイアス電流を流すことにする。

（Ｈ−Ｌ　）は、変調駆動回路の電流によって決まる。

平均値（Ｈ＋Ｌ）／２は、バイアス電流を適当　　　・
に与える事によって一定になる。こうすれば、Ｈ”状態
、Ｌ状態のレベｐが定まる。

温度変動があっても、バイアス電流が自動的に変更され
るから、Ｈ１Ｌ状態のレベルは不変に保たれる。

第２図はそのような平均値を検出してバイアス電流を設
定する従来例にかかる半導体レーザ駆動回路図を示して
いる。

半導体レーザＬＤは、２つの電流源に並列につながれて
おり、両者から駆動電流を受ける。これをバイアス電流
Ｉｂ、変調信号電流ｉという。

バイアス電流Ｉｂは変化の少いほぼ一定の電流であって
、バイアス駆動回路１１によって与えられる。

変調信号電流ｉは、パフレス信号変調用駆動回路１２に
よって与えられる。これはＬのときｉ＝Ｑ、Ｈのときに
ｉ　＝　ｉｏとなるような電流である。

バイアス電流Ｉｂを設定するために、半導体レーザＬＤ
の出力をホトダイオードＰＤによってモニタする。演算
増幅器１３と帰還抵抗Ｒｒはトランスインピーダンス回
路を構成している。

半導体レーザの光出力に応じて、ホトダイオードに電流
が流れるが、トランスインピーダンス回路の時定数を長
くしておくと、この時間範囲で平均化された電流値に比
例した電圧Ｖ。が演算増幅器１３の出力に現われる。こ
れと、予め定めた適正な電圧とを比較し、両者の差に比
例した電流をバイアス電流Ｉｂに加算する。

このようにすると、半導体レーザの平均出力が一定にな
るようバイアス電流を自動的に設定できる。

バイアス電流が保持されておシ、これを中心として、Ｌ
レベル、Ｈジベルの電流が閾値電流Ｉｃ以上になるよう
に設定すれば、前述の遅延の問題を解決する事ができる
。

しかしながら、平均発光パワーを一定にするようバイア
ス電流Ｉｂを決めるのであるから、パルス変調信号のデ
ユーティ比が変化すると、Ｈレベル、Ｌレベルの電流値
が変化してしまう、という難点がある。

変調信号はＮＲＺ符号を使うが、０信号、１信号の比は
必ずしも５０％ずつとは限らない。このためＨレベル、
Ｌレベルに於ける半導体レーザの出力が変化する、とい
う欠点がある。この之めＬレベルで、閾値電流１ｃ以下
になる可能性もある。

（＋７）　　　　日　　　　　的 半導体レーザの、消光状態から発光状態への遷移に伴う
遅延を避け、光パルス変調信号にジッタが生じないよう
にした半導体レーザ駆動回路を与える事が本発明の目的
である。

に）構　成 本発明の半導体レーザ駆動回路は、半導体レーザの平均
の光出力をモニタするのではなく、光出力の最小値をモ
ニタし、これＫよってバイアス電流を決定するようにし
ている。

このため、本発明は、半導体レーザの光出力を検出する
光検出器と、この検出電流の最小値を求める最小値検出
回路と、この最小値と予め定められた基準とを比較する
比較器と、比較器の出力によって、半導体レーザにバイ
アス電流Ｉｂを与えるバイアス電流駆動回路とよりなる
半導体レーザ駆動回路を与える。

第３図の駆動電流と半導体レーザ出力のグラフから、温
度によって、電流−光出力の関係が著しく変化する事が
分る。しかしながら、駆動電流の増加による光出力の増
加の割合（ａＰ／ａｉ　）Ｔは、殆ど温度Ｔによらずほ
ぼ一定である、という事がいえる。

そこで、第３図に於て光出力ｐ　＝　Ｐｌとなる横線を
引き、Ｐｌを半導体レーザ出力の最小値とする。

半導体レーザはｐ　ンｐ１となる領域で駆動する。

光出力の最小に対応する電流値は、温度によって変化す
る。温度が高いほど、この電流値１（Ｐｌ、Ｔ）は大き
くなる。本発明は、半導体レーザのバイアス電流Ｉｂを
、光バイアス点Ｐｌの電流１（Ｐｌ、Ｔ）に等しくする
ところに特徴がある。つまシＩｂ＝ｉ（Ｐｌ、Ｔ　）　
　　　　　　（１１である。

さきほどの（ａＰ／ａｉ）Ｔが温度にあまシよらない、
という事から、この値を例えばｑと書く。

ｐ−１曲線は半導体レーザの光出力ＰがＰ　＞　Ｐ。

の範囲に於て、 Ｐ　＝　Ｐ１＋　ｑ（ｌ−１（Ｐｔ、Ｔ））　　　　（
２）と書くことができる。工は全駆動電流である。これ
はバイアス電流Ｉｂと、変調信号電流ｉの和に等しい。

Ｉ　＝　Ｉｂ　＋　ｉ　　　　　　　　　　　　（３）
本発明では（１）式が成シ立つようバイアス電流を与え
ることにするから、（１）〜（３）が成立し、Ｐ”Ｐ１
＋（ｌｉ　　　　　　　　　　　（４１となるｅｑは僅
かな温度依存性があるが、しかし温度変化に対し、はぼ
一定値とみなす事ができる。

変調信号電流は、Ｌレベルでｉ＝０とし、Ｈレベルでｉ
　＝　ｉｏとする。これは変調駆動回路によって与えら
れる。Ｐｌは一定値である。

結局、（４）式は温度依存性のほとんどない式である、
という事が分る。つまシ、レーザ光出力の最小値Ｐ１を
一定にするようなバイアス電流（（１）式による）を使
うと、（４１式のような温度依存性のない駆動モードを
得る事ができる。

変調の幅はｉ心によって与えられるが、これは温度によ
らない。結局、温度変化があっても、Ｌレベルの光出力
と、Ｈレベルの光出力は変動しないという事になるので
ある。

それでは（１）式のようなバイアス電流を与えるにはど
うすればよいか？という事が問題になる。これは温度計
を必要としない。半導体レーザの最小出力がＰｌになる
ようにバイアス電流Ｉｂを決定する回路を要求するだけ
である。

このため、光検出器、最小値検出回路、比較器が必要に
なる。

第１図は本発明の半導体レーザ駆動回路の一例を示す。

半導体レーザＬＤは、バイアス電流駆動回路２と、変調
用電流駆動回路３とによって駆動される。

それぞれの電流は、バイアス電流Ｉｂと、変調電流ｉで
ある。

半導体レーザＬＤの光出力は、ホトダイオードＰＤによ
ってモニタされる。これは抵抗Ｒ１を介して接地される
。ＰＤのアノードは負電源に接続されている。

トランジスタＴＲ１、ＴＲ２は、コレクタが正電源に、
エミッタが抵抗Ｒ３、Ｒ４を介して負電源に接続されて
いる。

それぞれのベースは、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して接地され
る。

トランジスタＴＲ１、ＴＲ２はエミッタフロヮになって
いる。Ｔ　Ｒ２のベースｆは電圧ｖ＝０である。エミッ
タｈは、これよりトランジスタのベース・エミッタ電圧
降下分だけ低い。

ホトダイオードＰＤの電流ｌｐがＯであれば、ｅ点の電
圧（単にｅと書く）はＯｖで、ｆに等しい。つまシ、ｅ
＝ｆ、ｇ＝ｈである。

ホトダイオードに電流工ｐが流れると、ｅ点の電圧は ｅ　　＝　　−ＩｐＲｌ　　　　　　　　　（５）とな
る。これは（ｇ−ｈ）として現われる。

しかし、ＴＲ１のエミッタにはコンデンサＣ１が接続し
であるので、Ｃ１に電荷が蓄積される。

工ｐが変動した時、ｇ点の電圧は、コンデンサのために
最高電圧を保持するようになる。

ｇ点の電圧を最高にするのは、ｅ点が最高になる、とい
う事である。（５）式から、これは、光電流Ｉｐが最小
の時に実現される。光電流の最小値をＩｐａ＋と書くと
、 ｇ　−ｈ　＝　−１ｐａ＋　Ｒ（６１ となる。つまシ、トランジスタＴＲ１と、コンデンサＣ
１、抵抗Ｒ３は、ＴＲ１のベース電流の最大値を保持す
る回路である。ＴＲ１のベース・エミッタ間のダイオー
ドが、電圧保持ダイオードとして機能している。（６）
式から、ｇ点の最大電圧というのは、最小光電流Ｉｐｍ
と対応している。

抵抗Ｒ１とホトダイオードＰＤをこのように接続し、こ
れをＴＲ１のベースにつないだこの部分の回路は、検出
電流の最小値検出回路になっている。

この回路は簡単な１例にすぎない。

ホトダイオード電流を増幅し、これをダイオードを通し
コンデンサに充電するようにすればよいのであって、第
１図の回路に限るものではない。

また、Ｃ１とＲ３の積が時定数を与えるが、これは半導
体レーザのパルス繰返しよりも十分長ければよい。最小
値の検出は、平均値の検出よシも短い時間で行うことが
できる。第２図の回路はど長い時定数である必要はない
。

増幅器１は（ｇ−ｈ）の電圧を増幅する。この出力は、
Ｉｐｍに比例する。これを単にＩｐｍと書く。

バイアス電流駆動回路は、Ｉｐｍと予じめ定められた基
準値工ｑ　とを比較する。もしも、Ｉｐｍの方が工ｑよ
り大きければ、バイアス電流Ｉｂを減する。Ｉｐｍの方
が工ｑよ）小さければ、バイアス電流Ｉｂを増す。

このような制御をすると、増幅器の出力ＩｐｍはＩｑに
等しく保つことができる。ＩＰＫＩがＩｑであるという
ことは、温度によらず、半導体レーザの光出力がＰｌに
なる、ということである。

（３）　　動　　　作 変調用電流駆動回路３は、信号がＬレベルの時には０、
Ｈレベルの時にはｉ。の電流を流す。

バイアス電流駆動回路２ば、予め定めた電流ＩｑにＩｐ
ｍが等しくなるようなバイアス電流ｒｂ　　を流す。

従って半導体レーザの出力の最小値はＰｏになる。

ナ）　　効　　　果 本発明は、半導体レーザの光出力の最小値Ｐ１を検出し
、これが一定になるようにバイアス電流Ｉｂを設定する
のでζ温度変化があっても、レーザ駆動電流が閾値電流
Ｉｃ以下になる事はない。

このため、緩和振動による光パルス信号のジッタは生じ
ない。

ｔ　ｆｃＰ　＞Ｐｔ　Ｋ於テ（ａＰ／ａｉ）ｒ　ハＴ　
Ｋ　ヨラ’ｔ”はぼ一定であるから、変調電流の上限と
下限の差を一定にしておいても、Ｈレペ／Ｌ／、Ｌレベ
ルレノ光出力の温度による変動は殆どない。

また、平均出力ではなく、最小出力を一定に保つのであ
るから、デユーティが変化しても、レベルが変化する、
という事がない。

本発明では、完全に消光状態にはならず、バイアス電流
ＩｂでＰｌまで半導体レーザ駆動電流を引上げて使って
いるから、消光状態から発光状態への遷移時に起こる緩
和発振を完全に防ぐことができる。従ってＲＺ符号でな
く、ＮＲＺ符号を変調符号として用いる事ができる。こ
のため、伝送路に要求される帯域が小さくてもよい事に
なる。効率のよい伝送が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体レーザ駆動回路の回路側図。 第２図は従来の平均値を一定に保持する半導体レーザ駆
動回路側図。 第３図は半導体レーザの駆動電流ＩＦと光出力Ｐ０の関
係を、温度をパラメータとして示すグラフ。 第４図はＮＲＺ符号、ＲＺ符号、光信号波形図。 １・・・・・・増　幅　器 ２　・・・・・・　バイアス電流駆動回路３　・・・・
・・　変調用電流駆動回路ＬＤ・・・・・・半導体レー
ザ ＰＤ・・・・・・　ホトダイオード ｃｌ・・・・・・コンデンサ ＴＲ１、ＴＲ２・・・・　トランジスタＲ１〜Ｒ４・・
・・抵　　抗 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体レーザの光出力を検出する光検出器と、この検出
   電流の最小値を求める最小値検出回路と、この最小値と
   予め定められた基準値とを比較する比較器と、比較器の
   出力により最小値を一定にするようなバイアス電流を発
   生するバイアス電流駆動回路と、変調用電流を生ずる変
   調用電流駆動回路とよりなり、半導体レーザにはバイア
   ス電流駆動回路の電流と変調用電流駆動回路の電流の和
   が供給されるように構成した事を特徴とする半導体レー
   ザ駆動回路。