JP2003179553A - 出力オーバーシュートを制御するためのバイアス回路を備える光源ドライバ - Google Patents
出力オーバーシュートを制御するためのバイアス回路を備える光源ドライバInfo
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Abstract
めのバイアス回路を備える光源ドライバである。 【解決手段】 本発明によるレーザダイオードあるいは
他の光源用の駆動回路は、差動入力データを受信するた
めの第一と第二の入力を持つ差動回路、入力データに応
答して光源に対する変調電流を生成するための電流発生
器回路、および可変バイアスを差動回路に加えるための
可変バイアス回路を備える。
Description
をレーザあるいは他の光源に供給するための回路、より
詳細にはレーザ駆動回路あるいは他の光源駆動回路の出
力段に用いるためのバイアス制御回路に関する。
導体レーザが高速光データ伝送アプリケーションにおけ
る光源として広く用いられている。レーザダイオード
は、これらが高い光出力電力およびスペクトル純度を持
つために特にこのようなアプリケーションに適する。レ
ーザ駆動回路はここでは単に“ドライバ”とも呼ばれる
が、伝送されるべきデータに従って光出力信号を論理1
のレベルに対応する“オン”状態と論理0のレベルに対
応する“オフ”状態との間で制御するために、適当な駆
動電流を半導体レーザに供給するために用いられる。
3月16日付けでG.N.Linkなる発明人の名称の
下で交付された“High Speed Semico
nductor Laser Driver Circ
uits(高速半導体レーザ駆動回路)”なる名称の合
衆国特許第5,883,910号において開示されてい
るために、これも参照されたい。
最適化するためには、半導体レーザへのドライブ(駆動
信号)を正確に制御することが重要となる。より具体的
には、通常、半導体レーザがオフ状態からオン状態へと
駆動される際の駆動信号のオーバーシュートを最小化す
ることが要望される。過剰なオーバーシュートが発生す
ると、光システムの受信機内の自動利得制御(AGC)
回路によって受信機の利得が過剰に低減され、この結
果、必要な信号が不必要に減衰されることとなる。この
結果、信号対雑音性能が劣化し、ビット誤り率が増加
し、加えて、ある与えられた品質レベルにて光信号を伝
送することができる距離が低減されることとなる。典型
的には、最大許容ドライバ出力オーバーシュートは、平
均ピーク間出力信号振幅の約10%以下とされる。
5,883,910号において開示されるような従来の
半導体レーザ駆動回路の一つの重大な問題は、このタイ
プの回路では、ドライバ出力信号がしばしば上述の最大
許容レベルを超えるようなオーバーシュートを示すこと
である。
ートを許容できるレベルに制限するように構成された半
導体レーザおよび他の光源用の改善された駆動回路に対
する必要性が存在する。
満たす改善された光源駆動回路を提供する。
あるいは他の光源用の駆動回路は、差動入力データを受
信するための第一と第二の入力を持つ差動回路、入力デ
ータに応答して光源に対する変調電流を生成するための
電流発生器回路、および可変バイアスを差動回路に加え
るための可変バイアス回路を備える。電流発生器は、好
ましくは、この差動回路の第一と第二の入力に加えられ
る差動データに従ってこの駆動回路の第一と第二の出力
の一つに加えるための変調電流を確立するように適合化
される。この可変バイアス回路は、これによって差動回
路に加えるために生成される可変バイアス電流が変調電
流の関数となり、こうして駆動回路の出力オーバーシュ
ートを制御するように構成される。
路の出力オーバーシュートを、この回路の他の性能パラ
メータに悪影響を与えることなく、大幅に、例えば、前
述の10%なる最大許容レベルより低いレベルに低減する
ことができる。
導体レーザ駆動回路を用いて説明される。ただし、これ
ら特定な回路は単に説明のために示されるものであり、
本発明の技法はより一般的に多様な他の光源駆動装置に
も適用できるものである。さらに、レーザダイオード光
源を用いて解説されるが、本発明は勿論他のタイプの光
源と共に用いることもできる。
特性について図1と2の略図を参照しながら説明する。
説明の実施例において利用される特定のタイプのバイア
ス制御については後に図3と6との関連でより詳細な図
面を用いて説明する。
ーザダイオードの光出力をダイオード電流の関数として
示す。プロットされる出力特性上の点100はレーザ閾
値電流に対応する。これは、この点を超えてさらに電流
を増加するとレーザの光出力が生成される点である。高
速光伝送用途においては、通常、レーザダイオードの直
流(DC)バイアスはこの点あるいはこの近傍にセット
することが望ましい。プロットされる出力特性上の点1
02は低変調電流レベルIMOD(0)に対応し、10
4は高変調電流レベルIMOD(1)に対応する。これ
ら電流レベルは、それぞれ、光論理0出力の生成と、光
論理1出力の生成と関連する。説明を簡潔明快にするた
めに、高レベル光出力は論理1に対応し、低レベル光出
力は論理0に対応するものと想定されるが、ただし、こ
れは本発明の要件ではないことに注意する。
解説のためのものであり、本発明は他のタイプの出力特
性を持つ光源と共に用いることもできることに注意す
る。
部を示す。送信機のこの部分は、図示されるように、レ
ーザ駆動回路200とレーザダイオードD1を備える。
示されるように、DCバイアス電流IDCがレーザダイ
オードD1に関連するDCバイアス回路(図示せず)に
よって加えられる。レーザ駆動回路200は、一つのデ
ータ入力、およびOUTN(端子202)として示され
る正の出力と、OUTP(端子204)として示される
負の出力を持つ。こうして加えられるデータは、この略
図においては、データが低論理レベルにあるときは低変
調電流IMOD(0)がレーザダイオードD1に加えら
れ、データが高論理レベルにあるときは高変調電流IM
OD(1)がレーザダイオードD1に加えられるように
スイッチ205の位置を制御する働きをする。これは、
入力データが低論理レベルにあるときは変調電流IMO
Dをスイッチ205とOUTN端子202を介して電源
電圧VCCに向け、入力データが高論理レベルにあると
きはスイッチ205とOUTP端子204を介してレー
ザダイオードD1の陽極に向けることで行なわれる。
なIMOD(0)とIMOD(1)レベルが、IMOD
(0)もしくはIMOD(1)のどちらか指定される方
がレーザダイオードD1に加えられたとき、合計印加電
流がDCバイアス電流IDCとIMOD(0)もしくは
IMOD(1)のいずれかの特定の変調電流の合計とな
るように加えられるDCバイアス電流に対して正規化さ
れているものと想定される。加えて、IMOD(0)を
0とすることもでき、つまり、図1の点100と102
を同一とすることもでき、この場合は、合計加電流はD
Cバイアス電流IDCのみとなることにも注意する。
に、各々が対応するレーザダイオードに駆動電流を供給
するマルチレーザドライバモジュールを備える光出力シ
ステムにおいて用いるのに適する。このような用途にお
いては、総システム電力を最小化でき、より高い集積度
を達成できるという大きな長所を実現できる。一つの可
能な技法においては、ある与えられたレーザドライバモ
ジュールは対応するレーザダイオードをシステムの光電
力仕様を満たす最小限の電流にて駆動するように構成さ
れる。レーザダイオードが新しいときは、この仕様を満
たすために必要とされる電流は小量ですむが、ただし、
レーザがエージングするにつれてより多くの電流が必要
となる。予測される製造偏差およびレーザダイオードの
エージングに対処するために、上述の変調電流(IMO
D)は、12:1なるレンジ(例えば、5mAから60
mA)に渡って指定される。システムは、さらに、レー
ザダイオードに対して、“オン”状態電流(Ion)対
“オフ”状態電流(Ioff)の特定の比、例えば、1
0:1あるいはそれ以上のIon:Ioff比を要求す
る。図1との関連では、レーザダイオードD1は、高変
調電流IMOD(1)が加えられたときはオン状態とな
り、低変調電流IMDO(0)が加えられたときはオフ
状態となるものと想定される。
ド200の一つの可能な実施例をより詳細に示す。レー
ザダイオード200は図示するように差動ベース−エミ
ッタ電圧(dVbe)バイアス回路300、電流発生器
回路302、トランジスタQ0とQ1から成る出力段差
動ペア、トランジスタQ2〜Q5から成るプッシュ−プ
ル段、およびトランジスタQ6とQ7から成る入力段差
動ペアを備える。プッシュ−プル段(Q2〜Q5)の上
半分(Q2,Q3)は出力段差動ペア(Q0,Q1)を
駆動し、プッシュ−プル段の下半分(Q4,Q5)は差
動データ入力IPとINによって直接に駆動される。差
動データ入力は、入力段差動ペア(Q6,Q7)も駆動
する。出力段差動ペアは概ね図2のスイッチ205に対
応する。
に従って出力段差動ペアのトランジスタQ0あるいはQ
1の一つを介して対応する出力端子OUTP204ある
いはOUTN202のいずれかに加えられる変調電流I
MODを生成する。電流発生器回路302は、さらに、
バイアス電流として差動ペアQ4,Q5に加えるための
第一のスケーリングされた変調電流A×IMODと、差
動ベース−エミッタ電圧(dVbe)バイアス回路30
0のIIN入力に加えるための第二のスケーリングされ
た変調電流K×IMODを生成する。差動ベース−エミ
ッタ電圧(dVbe)バイアス回路300は、このスケ
ーリングされた変調電流K×IMODを利用してベース
電流IB1を生成し、これを入力段差動ペアQ6,Q7
の共通のエミッタ端子に加える。
ング係数AとKに対する値としては、一例として、それ
ぞれ、0.11と2.1×10−3が用いられるが、当
業者においては明らかなように他の値を用いることもで
きる。IMOD電流およびこの第一と第二のスケーリン
グされたバージョンは、電流発生器回路302にて、周
知の技法を用いて率直なやり方にて生成することができ
る。ここで用いられる“電流発生器回路(curren
t generator circuit)”なる用語
は、上述の電流の各々を生成する単一の回路に加えて、
各々がこれら電流の特定の一つを生成する複数の回路の
一部あるいは組合せも含めて指すことを意図される。
タは、例えば、200〜300mVのピークを持つ差動
論理信号から成り、差動ペアQ6,Q7とQ4,Q5
は、おのおの自身の対応するバイアス電流をペアの一方
あるいは他方にスイッチする。
ペアのトランジスタQ7、Q6のコレクタ端子と電源電
圧VCCとの間に結合された抵抗R1、R2を含む。こ
れら抵抗は、例えば、220オームの抵抗として構成さ
れるが、ただし、他の値を用いることもできる。
圧が差動ペアに与える影響についてより詳細に説明す
る。
は、順方向バイアスにおけるコレクタ電流(Ic)とベ
ース−エミッタ電圧(Vbe)の関係は以下によって与
えられる:
す。この熱電圧Vtは室温において26mVであり、以
下によって与えられる:
を表し、Tはケルビンの絶対温度目盛を表す。追加の詳
細については、A.B.Grebeneによる著作物
“Bipolar and CMOS Analog
Integrated Circuit Desig
n”、John Wiley & Sons,198
4,ISBN 0−471−08529−4を参照され
たい。ベース−エミッタ電圧Vbeはある与えられた電
流に対して以下によって与えられる:
ランジスタに対するベース−エミッタ電圧の差は以下に
よって与えられる:
は、dVbe=Vtln(10)=室温において60m
Vとなる。
のトランジスタQ0とQ1のベース−エミッタ接合間の
差動ドライブ(駆動電圧)は、25°Cなる接合温度に
おいてたった60mVしか必要とされない。ただし、こ
のドライブは、絶対温度(上のVt項)に応じて増減す
ることとに加えて、バイアス電流に対して独立であるこ
とを要求される。
ライブ(駆動電圧)がバイアス電流に依存する様子を示
す。図4のプロットはdVbe電圧を電流Ic1の関数
として、3つの異なる接合温度、つまり、Tj=125
°C、Tj=25°C(室温)、およびTj=−40°
Cに対して示す。出力段のドライブ(dVbe)が電流
Ic1の関数として変動することがわかる。仮にこれら
トランジスタが理想的であった場合は、図に示されるd
Vbe応答の各々は水平(Ic1)軸に対して平行とな
るところである。このドライブ(駆動電圧)のバイアス
電流および温度への依存性は、入力段のQ6,Q7差動
ペア(IB1×R1)の出力スイングを、IMODの全
レンジがカバーされるように十分に大きくし、かつ、こ
れが温度のみに依存して変化するようにセットすること
で対処することもできる。ただし、このアプローチで
は、図5との関連で以下に説明するように、前述のタイ
プの過剰なオーバーシュートが発生する恐れがある。
6,Q7差動ペアへのバイアスをIMOD=60mAの
とき適正な動作に対して必要とされるバイアスに固定
し、IMODを5から60mAに変化させたときのレー
ザ駆動回路の応答(時間の関数としての出力駆動電流)
を示す。IMOD=5mA,IMOD=30mAおよび
IMOD=60mAに対してプロットされている曲線
は、1.0がレーザダイオードをオン状態に駆動するた
めに意図される出力電流を表し、0.0がレーザダイオ
ードをオフ状態に駆動するために意図される出力電流を
表すように正規化されている。図からわかるように、I
MOD=5mAのときは約20%のオーバーシュートが
発生する。このオーバーシュートは、低バイアス電流に
おける差動出力段のオーバードライビングの結果として
発生する。
バ)200のオーバーシュートは、IMODが変化した
とき差動入力段が差動出力段のオーバドライビングを回
避するようなやり方にてプッシュ−プル段(Q2−Q
5)の上半分(Q2,Q3)を駆動するようにQ6,Q
7差動入力段に加えるバイアス電流IB1を調節するこ
とで制御される。好ましくは、このバイアス電流IB1
は、さらに、絶対温度を追跡し、出力段トランジスタの
パラメータ変動に自身を合わせるようにされる。上述の
バイアス電流IB1の調節は、差動ベース−エミッタ電
圧(dVbe)バイアス回路300によって行なわれ
る。
タ電圧(dVbe)バイアス回路300の一つの実施例
を示す。トランジスタQ0’とQ1’は、図3のレーザ
駆動回路200内の出力段差動デバイスQ0とQ1をモ
デル化あるいは特性化する働きをする。この差動ベース
−エミッタ電圧(dVbe)バイアス回路は、さらに、
図示するように配列された金属酸化物半導体(MOS)
デバイスM0,M1,M2,M3およびM4を備える。
これらデバイスのソース端子は電源電圧VSSに結合さ
れる。デバイスM1とM2は、10なる係数だけ異なる
電流Iと10Iを供給するように構成される。差動増幅
器304は、デバイスM3内の電流を調節し、抵抗R3
間の電圧をQ0’とQ1’のベース−エミッタ電圧間の
差と等しくなるようにセットすることでノードN1とN
2を等しくさせ、絶対温度に比例する電圧(VPTA
T)を生成する。
M4は、それぞれ、40/4、100/4、10/4、
20/0.5、80/0.5マイクロメートル(μm)
なる幅/長さの寸法を持つ。これら寸法は単に例であ
り、本発明の要件ではない。
リングされたバージョン(K×IMOD)は、デバイス
M0を駆動し、デバイスM1とM2内の電流をセットす
る。IMODのスケーリングされたバージョンにてこれ
ら参照(基準)トランジスタをバイアスすることで、R
3の間に生成されるベース−エミッタ電圧(dVbe)
の差の中にバイアス依存性が導入される。R3間のこの
電圧は、Q6,Q7差動ペアのバイアス電流IB1をセ
ットすることで、図3のレーザ駆動回路内のR1とR2
の間の電圧をセットする。抵抗R3は、好ましくは、抵
抗の製造および温度変動が相殺されるように、抵抗R1
およびR2と同一のタイプおよび幅とされる。この実施
例においては、R1は1キロオームに選択されるが、当
業者においては理解できるように、他の値を用いること
もできる。
固定バイアスの代わりに、図6の差動ベース−エミッタ
電圧(dVbe)バイアス回路300を用いたときのレ
ーザ駆動回路(ドライバ)の応答を示す。ここでも、I
MODは5から60mAの間で変化され、IMOD=5
mA,IMOD=30mAおよびIMOD=60mAに
対してプロットされている曲線は、1.0がレーザダイ
オードをオン状態に駆動するために意図される出力電流
を表し、0.0がレーザダイオードをオフ状態に駆動す
るために意図される出力電流を表すように正規化されて
いる。図からわかるように、図5の固定バイアスのケー
スにおいては約20%であったオーバーシュートは、図
6の可変バイアス回路300を用いることで、約10%
より小さなレベルへと大幅に低減される。図6のバイア
ス回路は、こうして低バイアス電流における差動出力段
のオーバドライビングを防止する。
単に解説を目的とするものであり、例えば、前述のよう
に、他の形態として異なるデバイスタイプおよびトラン
ジスタ技術を用いることもできる。加えて、マルチ差動
回路を用いて説明されたが、本発明は一つあるいは複数
のシングルエンド回路を用いて実現することもできる。
このような実施例においては、駆動回路に加えられるシ
ングルエンド入力データ信号が駆動回路内で差動データ
信号に変換される。当業者においては明らかなように、
これらおよび他の様々な形態がクレームの範囲から逸脱
することなく可能である。
ドの出力を駆動電流の関数としてプロットする。
れる関連するレーザ駆動回路の略図である。
ース−エミッタ電圧(dVbe)をベース電流の関数と
して異なる温度レベルに対してプロットする。
ート問題を図解するためのもので、入力段差動ペアに対
してバイアス電流を固定したときのレーザドライバの出
力を異なる変調電流レベルに対して時間の関数として示
す。
めの差動ベース−エミッタ電圧(dVbe)バイアス回
路の略図である。
ートの低減を図解するためのもので、入力段差動ペアに
対して図6のバイアス回路によって生成される可変バイ
アスを利用したときのレーザドライバの出力を異なる変
調電流レベルに対して時間の関数として示す。
ス回路 302 電流発生器回路 D1 レーザダイオード IDC DCバイアス電流 VCC 電源電圧
Claims (10)
- 【請求項1】 光源に対する駆動回路であって、この駆
動回路が:第一と第二の入力を持つ差動回路;前記差動
回路の第一と第二の入力に加えられる差動データに従っ
てこの駆動回路の第一の出力と第二の出力の一方に加え
るための変調電流を確立するように適合化された電流発
生器回路;および前記電流発生器回路のバイアス電流出
力に結合された一つの入力と前記差動回路のベース端子
に結合された一つの入力を持つ可変バイアス回路を備
え、この可変バイアス回路がこの駆動回路の出力オーバ
ーシュートを制御するために前記差動回路に加えるため
の可変バイアス電流を生成することを特徴とする駆動回
路。 - 【請求項2】 さらに、入力段、中間段および出力段か
ら成り、前記入力段が前記差動回路から成り、前記出力
段が前記駆動回路の第一と第二の出力から成ることを特
徴とする請求項1記載の駆動回路。 - 【請求項3】 前記中間段が、前記入力段の出力によっ
て駆動され、前記出力段を駆動する上側部分と、前記差
動データによって駆動される下側部分を持つプル−プッ
シュ段から成ることを特徴とする請求項2記載の駆動回
路。 - 【請求項4】 前記可変バイアス回路がこれによって生
成される可変バイアス電流が前記変調電流の関数となる
ように構成されることを特徴とする請求項1記載の駆動
回路。 - 【請求項5】 前記電流発生器回路がこのバイアス電流
出力の所に前記変調電流のスケーリングされたバージョ
ンを生成し、前記可変バイアス回路が前記前記可変バイ
アス電流を生成するためにこの変調電流のスケーリング
されたバージョンを処理するように構成されることを特
徴とする請求項1記載の駆動回路。 - 【請求項6】 前記差動回路が差動ペアとして構成され
た第一と第二のトランジスタから成り、前記差動回路の
前記第一と第二の入力がそれぞれ前記第一と第二のトラ
ンジスタのベース端子に対応し、前記ベース電流が前記
第一と第二のトランジスタの共通のエミッタ端子に加え
られ、前記第一と第二のトランジスタの各々のコレクタ
端子が前記駆動回路の第一と第二の出力の特定の一つを
前記変調電流をそれに加えるために選択する働きをする
信号と関連することを特徴とする請求項1記載の駆動回
路。 - 【請求項7】 前記可変バイアス回路が前記駆動回路の
第一の出力段トランジスタを特性化するように構成され
た第一のトランジスタを持つ第一の電流路と前記駆動回
路の第二の出力段トランジスタを特性化するように構成
された第二のトランジスタを持つ第二の電流路を提供す
るように構成され、前記可変バイアス回路が前記2つの
電流路の一方に流れる電流が前記出力段の差動ベース−
エミッタ電圧に従って変化するように構成され、前記第
一と第二の電流路がこれらの間に実質的に固定された電
流比を持つように構成されることを特徴とする請求項1
記載の駆動回路。 - 【請求項8】 前記可変バイアス回路がさらに:前記駆
動回路のそれぞれ第一と第二の出力段を特性化するよう
に構成された第一と第二のトランジスタ;および各々が
前記第一と第二のトランジスタの対応する一つの第一の
端子と第一の電源電圧の間に結合された第一と第二の電
流デバイスを含み、前記第一のトランジスタの第二と第
三の端子が第二の電源電圧に結合され、前記第二のトラ
ンジスタの第二の端子が前記第二の電源電圧に結合さ
れ、前記第二のトランジスタの第三の端子が抵抗要素を
介して前記第二の電源電圧に結合され;前記可変バイア
ス回路がさらにそれぞれ前記第一と第二のトランジスタ
の第一の端子に結合された第一と第二の入力を持つ差動
増幅器;および前記差動増幅器の出力端子に結合された
入力端子を持つ第三の電流デバイスを含み、この第三の
電流デバイスが前記抵抗要素を通じて電流を確立し、こ
の結果として前記可変バイアス回路の出力電流が前記第
一と第二のトランジスタの差動エミッタ−ベース電圧の
関数として変化することを特徴とする請求項1記載の駆
動回路。 - 【請求項9】 少なくとも一つの光源用の駆動回路を備
える集積回路であって、前記駆動回路が:第一と第二の
入力を持つ差動回路;前記差動回路の第一と第二の入力
に加えられる差動データに従って前記駆動回路の第一の
出力と第二の出力の一方に加えるための変調電流を確立
するように適合化された電流発生器回路;および前記電
流発生器回路のバイアス電流出力に結合された一つの入
力と前記差動回路のバイアス端子に結合された一つの入
力を持つ可変バイアス回路を備え、この可変バイアス回
路がこの駆動回路の出力オーバーシュートを制御するた
めに前記差動回路に加えるための可変バイアス電流を生
成することを特徴とする集積回路。 - 【請求項10】 光源;および前記光源に結合された駆
動回路を備える装置であって、前記駆動回路が:第一と
第二の入力を持つ差動回路;前記差動回路の第一と第二
の入力に加えられる差動データに従って前記駆動回路の
第一の出力と第二の出力の一方に加えるための変調電流
を確立するように適合化された電流発生器回路;および
前記電流発生器回路のバイアス電流出力に結合された一
つの入力と前記差動回路のバイアス端子に結合された一
つの入力を持つ可変バイアス回路を備え、この可変バイ
アス回路がこの駆動回路の出力オーバーシュートを制御
するために前記差動回路に加えるための可変バイアス電
流を生成することを特徴とする集積回路。
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