JP2007242798A - Semiconductor laser driving circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光信号を生成する半導体レーザ素子を駆動するための半導体レーザ駆動回路に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser driving circuit for driving a semiconductor laser element that generates an optical signal.
従来から、光送信器においてモニタ用フォトダイオードが故障した場合に半導体レーザ素子が過発光するのを防止するために、様々な構成のものが検討されている。例えば、下記特許文献1には、レーザダイオード(以下、LDという)に対して駆動電流及びバイアス電流を供給する2つのトランジスタ側にそれぞれ電流制限抵抗を設け、LDに流れる電流の最大値を決定することによって、モニタ用フォトダイオードが故障しモニタ電流信号が減少した場合に、LDの過発光を抑制する駆動回路の構成が開示されている。
上述したような従来の駆動回路においては、広い動作温度範囲でLD自身が使用できないという傾向にあった。それは、広い温度範囲では電流リミッタ回路が動作しなくなるばかりでなく、以下のように、LDの通常動作も保証されないことによる。すなわち、LDは電流−光変換効率が温度によって大きく変化する。LDにおいて同じ光出力を得るのに必要な電流は、低温で小さく、高温で大きい。つまり、低温で過発光を防止するための許容電流の最大値が、高温で通常動作に必要な電流の最小値を超えていなければならないが、LDの特性によってはこれが成り立たない。 In the conventional driving circuit as described above, the LD itself cannot be used in a wide operating temperature range. This is because not only the current limiter circuit does not operate in a wide temperature range, but also the normal operation of the LD is not guaranteed as follows. In other words, the current-light conversion efficiency of LD varies greatly with temperature. The current required to obtain the same light output in the LD is small at a low temperature and large at a high temperature. That is, the maximum value of the allowable current for preventing excessive light emission at a low temperature must exceed the minimum value of the current required for normal operation at a high temperature, but this does not hold depending on the characteristics of the LD.
例えば、図3に示すLDの電流−発光強度特性においては、出力10mWに必要なLD供給電流は、−40°Cの温度環境で60mAである。また、レーザ装置の安全基準としてJIS規格に規定されたClass1仕様では、レーザからの発光出力が10mWを上回らないとされている。低温時にこの電流値でリミッタを施した場合、最大発光強度ではなく通常発光強度をLDの5mWに設定するときに必要なLD供給電流は、低温では約30mAですむが、85°の高温時には70mA近く必要になる。従って、通常駆動状態で60mAのリミッタ値を上回る電流が必要になり、高温時に正常な発光が不可能になってしまう。
For example, in the current-luminescence intensity characteristics of the LD shown in FIG. 3, the LD supply current required for an output of 10 mW is 60 mA in a temperature environment of −40 ° C. Further, in the
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、半導体レーザ素子の過発光を防止しつつ広い温度範囲でも正常動作が可能な半導体レーザ駆動回路を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a semiconductor laser driving circuit capable of normal operation even in a wide temperature range while preventing excessive light emission of the semiconductor laser element.
上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ駆動回路は、半導体レーザ素子の光出力を制御するAPCループ回路を含む半導体レーザ駆動回路において、APCループ回路において半導体レーザ素子に供給する電流を設定する電流設定用抵抗素子に接続され、光出力のモニタ信号に応じて電流設定用抵抗素子に余剰電流を発生させる余剰電流生成回路を備える。 In order to solve the above problems, a semiconductor laser driving circuit according to the present invention sets a current to be supplied to a semiconductor laser element in the APC loop circuit in a semiconductor laser driving circuit including an APC loop circuit that controls the optical output of the semiconductor laser element. A surplus current generating circuit is provided that is connected to the current setting resistance element and generates a surplus current in the current setting resistance element in accordance with the monitor signal of the optical output.
このような半導体レーザ駆動回路においては、APCループ回路において半導体レーザ素子の供給電流を設定するために設けられた電流設定用抵抗素子に、光出力のモニタ信号に応じて余剰電流が流される結果、供給電流が余剰電流のために減少するので、APCループ断時等の異常時における半導体レーザ素子における過発光が防止される。同時に、電流設定用抵抗素子は、制限したい発光強度に関係なく通常駆動状態の光出力を確保できるように設定可能となるので、広い温度範囲に亘って半導体レーザを正常に発光させることができる。 In such a semiconductor laser drive circuit, as a result of surplus current flowing through the current setting resistance element provided for setting the supply current of the semiconductor laser element in the APC loop circuit according to the monitor signal of the optical output, Since the supply current decreases due to the surplus current, excessive light emission in the semiconductor laser element at the time of abnormality such as when the APC loop is interrupted is prevented. At the same time, the current setting resistance element can be set so that the light output in the normal driving state can be ensured regardless of the light emission intensity to be limited, so that the semiconductor laser can normally emit light over a wide temperature range.
APCループ回路は、光出力に応じたモニタ信号を生成するフォトダイオードと、モニタ信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、半導体レーザ素子と電流設定用抵抗素子との間に接続され、電流電圧変換部から出力された電圧信号に基づいて、半導体レーザ素子に供給される電流を、電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じて調整する電流源と、を有し、余剰電流生成回路は、電流電圧変換部から出力された電圧信号に応じて、電流設定用抵抗素子に余剰電流を出力するトランジスタを有する、ことが好ましい。 The APC loop circuit is connected between a photodiode that generates a monitor signal corresponding to an optical output, a current-voltage conversion unit that converts the monitor signal into a voltage signal, a semiconductor laser element, and a current setting resistance element. A current source that adjusts the current supplied to the semiconductor laser element according to the resistance value of the current setting resistor element based on the voltage signal output from the voltage converter; It is preferable to have a transistor that outputs a surplus current to the current setting resistance element in accordance with the voltage signal output from the current-voltage converter.
この場合、APCループ回路において、フォトダイオードから出力されたモニタ信号が電圧信号に変換され、その電圧信号に基づいて、電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じた変化量で半導体レーザ素子への供給電流が調整される。このとき、トランジスタにより上記電圧信号に応じて電流設定用抵抗素子に余剰電流が流され、この余剰電流により電流源から供給される電流量が抑えられるので、半導体レーザ素子とフォトダイオードとの光結合断時等の異常時における半導体レーザ素子における過発光が防止される。 In this case, in the APC loop circuit, the monitor signal output from the photodiode is converted into a voltage signal, and based on the voltage signal, the supply amount to the semiconductor laser element is changed in accordance with the resistance value of the current setting resistance element. The current is adjusted. At this time, a surplus current is caused to flow through the current setting resistance element according to the voltage signal by the transistor, and the amount of current supplied from the current source is suppressed by the surplus current, so that the optical coupling between the semiconductor laser element and the photodiode is performed. Excessive light emission in the semiconductor laser element at the time of an abnormality such as a disconnection is prevented.
また、APCループ回路は、光出力に応じたモニタ信号を生成するフォトダイオードと、モニタ信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、半導体レーザ素子と電流設定用抵抗素子との間に接続され、電流電圧変換部から出力された電圧信号に基づいて、半導体レーザ素子に供給される電流を、電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じて調整する電流源と、を有し、余剰電流生成回路は、電流電圧変換部から出力された電圧信号と所定の基準電圧との差信号を生成するオペアンプと、オペアンプから出力された差信号に応じて、電流設定用抵抗素子に余剰電流を出力するトランジスタと、を有する、ことも好ましい。 The APC loop circuit is connected between a photodiode that generates a monitor signal corresponding to the optical output, a current-voltage conversion unit that converts the monitor signal into a voltage signal, a semiconductor laser element, and a current setting resistor element. A current source that adjusts the current supplied to the semiconductor laser element according to the resistance value of the current setting resistance element based on the voltage signal output from the current-voltage conversion unit, and a surplus current generation circuit An operational amplifier that generates a difference signal between the voltage signal output from the current-voltage converter and a predetermined reference voltage, and a transistor that outputs an excess current to the current setting resistor element according to the difference signal output from the operational amplifier It is also preferable to have.
かかる構成を採れば、APCループ回路において、フォトダイオードから出力されたモニタ信号が電圧信号に変換され、その電圧信号に基づいて、電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じた変化量で半導体レーザ素子への供給電流が調整される。このとき、オペアンプにより上記電圧信号と基準電圧との差信号が生成され、トランジスタにより上記差信号に応じて電流設定用抵抗素子に余剰電流が流され、この余剰電流により電流源から供給される電流量が抑えられるので、半導体レーザ素子とフォトダイオードとの光結合断時等の異常時における半導体レーザ素子における過発光が防止される。 With this configuration, in the APC loop circuit, the monitor signal output from the photodiode is converted into a voltage signal, and based on the voltage signal, the semiconductor laser element is changed by an amount corresponding to the resistance value of the current setting resistance element. The supply current to is adjusted. At this time, a difference signal between the voltage signal and the reference voltage is generated by the operational amplifier, and a surplus current is caused to flow through the current setting resistance element according to the difference signal by the transistor, and a current supplied from the current source by the surplus current. Since the amount is suppressed, excessive light emission in the semiconductor laser element at the time of abnormality such as when the optical coupling between the semiconductor laser element and the photodiode is broken is prevented.
本発明の半導体レーザ駆動回路によれば、半導体レーザ素子の過発光を防止しつつ広い温度範囲でも正常動作が可能となる。 According to the semiconductor laser driving circuit of the present invention, normal operation is possible even in a wide temperature range while preventing the semiconductor laser element from over-emitting.
以下、図面を参照しつつ本発明に係る半導体レーザ駆動回路の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor laser driving circuit according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の好適な一実施形態である半導体レーザ駆動回路1の回路図である。同図に示す半導体レーザ駆動回路1は、光通信で用いられる光送信器等に内蔵されて、光信号を生成する素子である半導体レーザダイオード(以下、LDという)を駆動するための回路である。
FIG. 1 is a circuit diagram of a semiconductor
半導体レーザ駆動回路1は、LD2の光出力の強度を自動制御するAPCループ回路3と、APCループ回路3内の電流設定用抵抗素子4b,4mに余剰電流を供給してLD2の過発光を防止する保護回路(余剰電流生成回路)5とを備えて構成されている。
The semiconductor
以下、APCループ回路3の構成について説明する。APCループ回路3は、光信号Poutを生成するLD2を有し、LD2のアノードには、LD2からの光出力Poutの強度に応じたモニタ電流信号を生成するフォトダイオード(以下、PDという)6のカソードが接続され、LD2のアノード及びPD6のカソードには、正電圧Vccが印加されている。このPD6のアノードには、モニタ電流信号を電圧信号V1に変換する電流/電圧変換抵抗(電流電圧変換部)7が接続されている。さらに、電流/電圧変換抵抗7のPD6側の端子には、反転増幅器8の入力が接続され、反転増幅器8の出力は反転増幅器9b,9mに分岐して接続されている。
Hereinafter, the configuration of the APC loop circuit 3 will be described. The APC loop circuit 3 includes an
反転増幅器9bの出力は、オペアンプ10bの反転入力に接続され、オペアンプ10bの非反転入力には正電圧Vb1が印可されている。このオペアンプ10bの出力は、オペアンプ11bの非反転入力に接続され、オペアンプ11bの反転入力には、電流設定用抵抗素子4b、及び電流設定用抵抗素子4bとLD2との間に接続されたNPNトランジスタ12bのエミッタが接続されている。オペアンプ11bの出力は、NPNトランジスタ12bのベースに接続され、NPNトランジスタ12bのコレクタは、LD2のカソードが接続されている。このオペアンプ11bとNPNトランジスタ12bとによって電流源13bが構成される。
The output of the inverting
また、同様に、反転増幅器9mの出力は、オペアンプ10mの反転入力に接続され、オペアンプ10mの非反転入力には正電圧Vm1が印可されている。このオペアンプ10mの出力は、オペアンプ11mの非反転入力に接続され、オペアンプ11mの反転入力には、電流設定用抵抗素子4m、及び電流設定用抵抗素子4mとLD2との間に接続されたNPNトランジスタ12mのエミッタが接続されている。オペアンプ11mの出力は、NPNトランジスタ12mのベースに接続され、NPNトランジスタ12mのコレクタは、変調電圧/電流変換器14を介してLD2のカソードが接続されている。このオペアンプ11mとNPNトランジスタ12mとによって電流源13mが構成される。
Similarly, the output of the inverting
このようなAPCループ回路3においては、変調電圧/電流変換器14の入力には、データ信号SIN、すなわち、オン/オフするパルス信号が入力され、NPNトランジスタ12m、及びそのベースに接続されているオペアンプ11mで決定される変調電流IMが、変調電圧/電流変換器14によってこのデータ信号SINに基づいてスイッチングされて、LD2に供給される。一方、NPNトランジスタ12b、及びそのベースに接続されているオペアンプ11bで規定される電流源13bの出力電流が、バイアス電流IBとしてLD2に供給される。
In such an APC loop circuit 3, a data signal S IN , that is, a pulse signal to be turned on / off, is inputted to the input of the modulation voltage /
同時に、LD2の光出力Poutの一部は、PD6によりモニタされてモニタ電流信号が生成される。このモニタ電流信号が電流/電圧変換抵抗7に流れ込むことによって電圧降下量に対応する電圧信号V1に変換される。電圧信号V1は、反転増幅器8及び反転増幅器9b,9mを経由することによって増幅されて、オペアンプ10b,10mに入力される。オペアンプ10b,10mによって正電圧Vb1,Vm1と増幅された電圧信号V1との差を示す電圧に増幅され、オペアンプ11b,11mに入力される。そして、オペアンプ11b,11m及びNPNトランジスタ12b,12mによって、正電圧Vb1,Vm1と電圧信号V1の増幅電圧との差に基づいて、電流設定用抵抗素子4b,4mの抵抗値に応じた変化量で電流IB,IMが調整される。
At the same time, a part of the optical output P out of the
すなわち、LD2の劣化等で光出力Poutが低下した時には、(1)PD6の電流出力が小さくなり、電圧信号V1が低下し、(2)2段目のオペアンプ10b,10mの入力が低下し、(3)2段目のオペアンプ10b,10mの出力が増加する結果、(4)電流値IB,IMが増加する。この電流値IB,IMの増加量は、各電流源13b,13mに接続されている電流設定用抵抗素子4b,4mの抵抗値によって設定される。
That is, when the optical output P out decreases due to degradation of the
次に、保護回路5の構成について説明する。保護回路5においては、2つのダイオードが直列接続されたダイオード群15b,15mが、それぞれ、アノード側をPD6のカソードに接続するように設けられている。ダイオード群15b,15mのカソードは、それぞれ、PNPトランジスタ16b,16mのエミッタに接続され、PNPトランジスタ16b,16mのベースがPD6と電流/電圧変換抵抗7との間に接続され、PNPトランジスタ16b,16mのコレクタは、それぞれ、電流源13b,13mと電流設定用抵抗素子4b,4mとの間に接続されている。このような構成のダイオード群15b及びPNPトランジスタ16bは、電圧信号V1に基づいてバイアス電流IBを制限する機能を有し、ダイオード群15m及びPNPトランジスタ16mは、電圧信号V1に基づいて変調電流IMを制限する機能を有する。
Next, the configuration of the protection circuit 5 will be described. In the protection circuit 5,
以上のような保護回路5を備えた半導体レーザ駆動回路1の動作について説明する。
The operation of the semiconductor
まず、PD6の光電流が何らかの原因で発生しない場合を想定すると、オペアンプ10b,10mの反転入力はほぼGNDレベルまで低下する。この時、PD6の出力にPNPトランジスタ16b,16mのベースが接続され、エミッタはダイオード群15b,15mにより正電圧Vccに引き上げられているので、電圧信号V1が所定値Vcc−0.7×2−0.7[V]以下になると、このPNPトランジスタ16b,16mがオンする。ここで、上記所定値の第2項はダイオード群15b,15mによる電圧降下、第3項はPNPトランジスタ16b,16mのエミッタ−ベース間の電圧降下を表している。また、通常動作時の電圧信号V1がPNPトランジスタ16b,16mがオンしないような電位となるように、電流/電圧変換抵抗7の抵抗値が、PD6の電流値を加味して設定されている。すなわち、ダイオード群15b,15mが2段である場合は、通常動作時の電圧信号V1がVcc−0.7×(1.0〜2.0)[V]程度のレベルであれば、PNPトランジスタ16b,16mがオンせず、APCループ回路3の動作に影響を与えない。
First, assuming that the photocurrent of the PD 6 does not occur for some reason, the inverting inputs of the
そこで、LD2とPD6との光結合断時等のように、APCループ回路3に異常が生じると、PNPトランジスタ16b,16mがオンとなって、電流設定用抵抗素子4b,4mに余剰電流IB1,IM1が供給される。その結果、PNPトランジスタ16b,16mのコレクタ電位=オペアンプ11b,11mの反転入力電位=NPNトランジスタ12b,12mのエミッタ電位を押し上げることになり、NPNトランジスタ12b,12mはほぼオフの状態になり、LD2に供給される電流IB,IMを抑えることが可能となる。
Therefore, when an abnormality occurs in the APC loop circuit 3, such as when the optical coupling between the LD2 and the PD6 is broken, the
一方、保護回路5を備えない場合は、APCループ回路3の異常時に電圧信号V1がGNDレベルに近づくと、オペアンプ11b,11mの出力はハイ側に振り切れてしまう。その結果、電流源13b,13mが生成する電流IB,IMも最大値に振り切れ、LD2に供給された電流が回路動作上の許容値を超えてしまうので、LD2が破壊される可能性がある。
On the other hand, if not provided with the protective circuit 5, the voltage signal V 1 at the time of abnormality of the APC loop circuit 3 approaches the GND level, the
以上説明した半導体レーザ駆動回路1によれば、PNPトランジスタ16b,16mにより電圧信号V1に応じて電流設定用抵抗素子4b,4mに余剰電流IB1,IM1が流され、この余剰電流IB1,IM1により電流源13b,13mから供給される電流量IB,IMが抑えられるので、LDとPDとの光結合断時等の異常時におけるLDにおける過発光が防止される。同時に、電流設定用抵抗素子4b,4mは、制限したい発光強度に関係なく通常駆動状態の光出力を確保できるように設定可能となるので、広い温度範囲に亘ってLDを正常に発光させることができる。
According to the semiconductor
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、保護回路5の構成としては、様々な変形態様を採りうる。図2は、本発明の変形例の半導体レーザ駆動回路21の主要部を示す回路図である。同図に示す半導体レーザ駆動回路21の保護回路25は、PD6のアノードと電流/電圧変換抵抗7との間に反転入力が接続されたオペアンプ24bを有し、オペアンプ24bの非反転入力には正電圧Vb2が印加されている。オペアンプ24bは、電圧信号V1と正電圧Vb2との差信号を増幅して出力する。さらに、保護回路25においては、オペアンプ24bの出力にベースが接続されたNPNトランジスタ25bが設けられ、NPNトランジスタ25bのコレクタは正にバイアスされ、そのエミッタは電流源13bと電流設定用抵抗素子4bとの間に接続されている。また、保護回路25においては、PD6のアノードと電流設定用抵抗素子4mの間に同様な構成の保護回路を設けてもよい。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, various modifications can be adopted as the configuration of the protection circuit 5. FIG. 2 is a circuit diagram showing the main part of a semiconductor
このような半導体レーザ駆動回路21においては、オペアンプ24bによってPD6の出力電流がモニタされ、モニタ値が低下すると、オペアンプ24bの反転入力レベルが低下しその出力が上昇することによって、NPNトランジスタ25bがオンする。これにより、保護回路25から電流設定用抵抗素子4bに電圧信号V1と正電圧Vb2とのレベル差に応じた余剰電流IB1が供給される。この電流設定用抵抗素子4bに流れ込む電流は、ほぼ全てNPNトランジスタ25bから供給されるので、電流源13bに接続されるLD2から流れ込む電流はそれだけ低下し、LD2の保護が果たされる。
In such a semiconductor
1,21…半導体レーザ駆動回路、3…APCループ回路、4b,4m…電流設定用抵抗素子、5,25…保護回路(余剰電流生成回路)、7…電流/電圧変換抵抗、13b,13m…電流源、16b,16m…PNPトランジスタ、24b…オペアンプ、25b…トランジスタ、IB…バイアス電流、IM…変調電流、IB1,IM1…余剰電流、Pout…光出力、V1…モニタ電圧信号、Vb2…正電圧(基準電圧)。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記APCループ回路において前記半導体レーザ素子に供給する電流を設定する電流設定用抵抗素子に接続され、前記光出力のモニタ信号に応じて前記電流設定用抵抗素子に余剰電流を発生させる余剰電流生成回路を備える、
ことを特徴とする半導体レーザ駆動回路。 In a semiconductor laser driving circuit including an APC loop circuit for controlling the optical output of the semiconductor laser element,
A surplus current generating circuit connected to a current setting resistor element for setting a current to be supplied to the semiconductor laser element in the APC loop circuit and generating a surplus current in the current setting resistor element in accordance with the monitor signal of the optical output Comprising
A semiconductor laser driving circuit.
前記光出力に応じたモニタ信号を生成するフォトダイオードと、
前記モニタ信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記半導体レーザ素子と前記電流設定用抵抗素子との間に接続され、前記電流電圧変換部から出力された前記電圧信号に基づいて、前記半導体レーザ素子に供給される電流を、前記前記電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じて調整する電流源と、
を有し、
前記余剰電流生成回路は、
前記電流電圧変換部から出力された前記電圧信号に応じて、前記電流設定用抵抗素子に前記余剰電流を出力するトランジスタを有する、
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ駆動回路。 The APC loop circuit is
A photodiode for generating a monitor signal according to the light output;
A current-voltage converter that converts the monitor signal into a voltage signal;
A current supplied to the semiconductor laser element based on the voltage signal connected between the semiconductor laser element and the current setting resistance element and output from the current-voltage converter is used for the current setting. A current source that adjusts according to the resistance value of the resistance element;
Have
The surplus current generation circuit includes:
In accordance with the voltage signal output from the current-voltage conversion unit, a transistor that outputs the surplus current to the current setting resistor element,
The semiconductor laser driving circuit according to claim 1.
前記光出力に応じたモニタ信号を生成するフォトダイオードと、
前記モニタ信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記半導体レーザ素子と前記電流設定用抵抗素子との間に接続され、前記電流電圧変換部から出力された前記電圧信号に基づいて、前記半導体レーザ素子に供給される電流を、前記前記電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じて調整する電流源と、
を有し、
前記余剰電流生成回路は、
前記電流電圧変換部から出力された前記電圧信号と所定の基準電圧との差信号を生成するオペアンプと、
前記オペアンプから出力された前記差信号に応じて、前記電流設定用抵抗素子に前記余剰電流を出力するトランジスタと、
を有する、
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ駆動回路。 The APC loop circuit is
A photodiode for generating a monitor signal according to the light output;
A current-voltage converter that converts the monitor signal into a voltage signal;
A current supplied to the semiconductor laser element based on the voltage signal connected between the semiconductor laser element and the current setting resistance element and output from the current-voltage converter is used for the current setting. A current source that adjusts according to the resistance value of the resistance element;
Have
The surplus current generation circuit includes:
An operational amplifier that generates a difference signal between the voltage signal output from the current-voltage converter and a predetermined reference voltage;
In accordance with the difference signal output from the operational amplifier, a transistor that outputs the surplus current to the current setting resistor element;
Having
The semiconductor laser driving circuit according to claim 1.
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