JP2007324320A - レーザ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＤに流れる電流を制限することが可能なレーザ駆動回路を提供する。
【解決手段】ブレーカ回路１７は、ＬＤ１５の他端１５ｂと電源線２１との間に接続されている。ブレーカ回路１７では、検出回路２３は、一端および他端を有しており、また一端と他端との間を流れる電流に応じた電位差を両端間に発生する。検出回路２３は、例えば、一端および他端に接続された抵抗を含むことができる。検出回路２３および制御用トランジスタ２５は、ＬＤ１５の他端と電源線２１との間に直列に接続されている。制御回路２７は、モニタ信号Ｓ_ＭＯＮに応答してＬＤ１５に流れる電流を所定の値以下に制限するための制御信号Ｓ_ＣＯＮＴを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ駆動回路に関する。

特許文献１には、レーザ駆動回路が記載されている。故障検出回路は、半導体レーザからのレーザ光を受けるモニタ用フォトダイオードの受光量信号によって故障を検出して、ＬＤの光出力を停止し、その故障を外部に通知する制御信号（ＴＸ＿ＦＡＵＬＴ）を生成する。リセット遅延回路は、故障検出回路をリセットすると共にＬＤをオン指示するリセット信号（ＴＸ＿ＤＩＳＡＢＥＬ）を受けて、所定の遅延時間経過後、ＬＤにバイアス電流を供給するＤＣバイアス電流供給回路の出力をオン指示する。
特開２０００−７７７６７号公報

光通信用送信モジュールの光出力が増大する要因として、モニタ電流検出エラー、ＡＰＣ（Auto-Power Control）回路の故障、およびＬＤのカソードが接地に短絡される、という３つのモードが考えられる。

モニタ電流検出エラーは、フォトダイオード（ＰＤ）の変換効率が劣化したり、ＬＤの前方／後方出射比率が変化したり（トラッキングエラーと呼ばれる）、あるいは光電流を電圧信号に変換する検出抵抗の抵抗値が変化した場合に生じる。また、回路の断線が生じた場合にもモニタ電流検出エラーが発生する。これら故障が発生した場合でも、ＡＰＣ回路はモニタ電流値を一定にするように制御を行うので、所望の動作が行われない可能性がある。また、ＡＰＣ回路が故障した場合は、ＬＤ駆動電流の制御が不可能になり、ＬＤに過大な電流が供給されＬＤ破壊に至る。さらに、ＬＤのカソードが接地に短絡した場合は、ＬＤを制御できなくなる。

特許文献１のレーザ駆動回路において、光出力の異常をモニタ用フォトダイオードが生成する電流値により検出し、ＬＤの駆動電流を遮断することで光出力を停止する。しかしながら、フォトダイオードの劣化、ＬＤの出力の前方／後方比の変化、ＡＰＣ回路の故障、ＬＤのカソードと接地との短絡等はＰＤが生成する電流には反映されず、これら不良を検出することができず、過大な電流がＬＤに流れる。これにより、予定外の強度の光が出力される可能性がある。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、ＬＤに流れる電流を制限することが可能なレーザ駆動回路を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るレーザ駆動回路は、駆動回路と、アノードとカソードを有し、このアノードとカソードの一方が前記駆動回路に接続して前記駆動回路により駆動される半導体レーザ（ＬＤ）と、前記アノードとカソードの他方に接続されたブレーカ回路とを含む半導体レーザ駆動回路であって、前記ブレーカ回路は、検出回路と、この検出回路に直列に接続された制御用トランジスタと、制御回路を含み、前記検出回路は、前記ＬＤに流れる電流を検出し、前記制御回路は、前記検出回路により検出された前記電流と所定値とを比較する比較器を含み、前記比較器は、前記電流が前記所定値に満たない時は、前記トランジスタを非飽和領域で動作させ、前記電流が前記所定値に等しいかもしくは超えた時には前記トランジスタを遮断する制御信号を出力する。

このレーザ駆動回路によれば、比較器が、電流が所定値に等しいかもしくは超えた時にはトランジスタを遮断する制御信号を出力するので、レーザダイオードに流れる電流を所定の値以下に制限できる。

本発明の一側面に係るレーザ駆動回路では、前記制御回路は指示信号発生回路と合成回路をさらに含み、前記指示信号発生回路は前記トランジスタの非飽和領域での動作条件を決定するバイアス信号を送出し、前記合成回路は、前記バイアス信号および前記制御信号を合成して前記トランジスタに供給する。

本発明の一側面に係るレーザ駆動回路は、測温素子を更に備え、バイアス信号は前記測温素子からの信号に応答して生成される。このレーザ駆動回路によれば、ダンピング抵抗の値が、測温素子からの信号に応じて変更される。

本発明の一側面に係るレーザ駆動回路では、前記トランジスタは電界効果トランジスタであり、前記制御回路により非飽和領域にバイアスされている時には、前記ＬＤおよび前記駆動回路に対するダンピング抵抗として機能する。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、ＬＤに流れる電流を制限することが可能なレーザ駆動回路が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のレーザ駆動回路に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係るレーザ駆動回路を示す図面である。レーザ駆動回路１１は、駆動回路１３と、ＬＤ（以下、ＬＤとする）１５と、ブレーカ回路１７とを備える。駆動回路１３は、伝送信号Ｓ_ＩＮを受ける端子１３ａと駆動信号Ｓ_ＤＲＶを出力する端子１３ｂとを有する。ブレーカ回路１７は、レーザダイオード１５のアノードと電源２１との間に接続されている。ブレーカ回路１７は、検出回路２３と、制御用トランジスタ２５と、制御回路２７とを含む。検出回路２３は、この検出回路を流れる電流に応じた電圧を発生する。検出回路２３は、抵抗とすることができる。検出回路２３および制御用トランジスタ２５は、ＬＤ１５のアノードと電源２１との間に直列に接続されている。制御回路２７は、検出回路２３の出力Ｓ_ＭＯＮに応答してＬＤ１５に流れる電流を所定の値以下に制限するための制御信号Ｓ_ＣＯＮＴを生成する。

このレーザ駆動回路１１では、ＬＤ１５に流れる電流は検出回路２３および制御用トランジスタ２５にも流れる。検出回路２３の両端の電位差△Ｖに応じて制御用トランジスタ２５を制御できるので、ＬＤ１５に流れる電流を所定の値以下に制限できる。

駆動回路１３では、差動対トランジスタ、１９ａ及び１９ｂ、の電流端子の一方は共通接続されている。一方のトランジスタ１９ａの他の電流端子はＬＤ１５のカソードに接続されている。他方のトランジスタ１９ｂの他の電流端子は電源２１に直接接続されている。駆動回路１３は、差動対トランジスタの共通接続点と接地２９との間に電流源３１を有する。電流源３１は、ＬＤ１５に変調電流を提供する。駆動回路１３は、さらにＬＤ１５の一端に接続された他の電流源３３を含む。この電流源３３は、ＬＤ１５にバイアス電流を供給する。差動対トランジスタ１９ａ、１９ｂは、増幅回路３９からの差動信号に応答して動作する。

ＬＤ１５は、光伝送路３５と光学的に結合され、また、モニタ用フォトダイオード（以下、ＰＤとする）３７にも光学的に結合されている。ＰＤ３７は、モニタ光Ｌ_ＭＯＮに応答した信号Ｉ_ＭＯＮを生成する。レーザ駆動回路１１に含まれるＡＰＣ回路４１は信号Ｉ_ＭＯＮに応答して電流源回路３３及び変調電流源回路３１を制御する。

ＬＤ１５のインピーダンスが低いので、ダンピング抵抗４３をＬＤ１５と直列に接続する。特に高速光通信を意図する用途においてはダンピング抵抗を介することが一般的である。また、ＰＤ３７およびＬＤ１５は同じパッケージに収容されている。パッケージの電位は、ＬＤ１５あるいはＰＤ３７電極からは絶縁されており、このレーザ駆動回路が搭載される機器のシャーシに接地される場合が多い。この駆動回路１１とは独立に（電気的に絶縁された状態で）パッケージをシャーシに接地することにより、光送信器からのノイズ放射を抑えることができる。

このような光送信器において、通常動作よりも大きな光パワーが発生する原因としては既に説明したが、それら原因のうち、ＬＤ１５のカソードと接地線との短絡がもっとも深刻である。この短絡への対策として、所定値を超える電流がＬＤ１５に流れたとき、ＬＤ１５のカソードとパッケージとの間に設けられたスイッチを用いて電流を切替することが従来行われていた。しかし、このようなスイッチの挿入は、高速の光送受信器では実施することが以下の理由で実質的に困難である。
（１）この種のスイッチを高周波信号ラインに設けると、ＬＤの高周波特性を損なう。
（２）高周波特性をよくするために、高周波ラインは可能な限り短く設計されることが好ましい。本来的にスイッチを挿入できる余地は少ない。
（３）ＬＤのカソードと接地との短絡に対処しようとすると、パッケージ内にスイッチを設ける必要があるが、スイッチの追加は、コスト、サイズ、実装の観点から考えて困難である。

しかしながら、本実施の形態によれば、ＬＤのアノードと電源線との間にブレーカ回路を設けているので、ＬＤに流れる電流を制限することができる。また、本実施の形態によれば、パッケージがＬＤやＰＤの端子とは独立になったものについて、上記のような故障が発生したとしても、レーザ安全性クラス１を超えるような過大な光が出力されないようなレーザ駆動回路が提供される。

図２は、本実施の形態に係るブレーカ回路の構成例を示すである。制御回路２７ａは、リファレンス回路４５と、比較器４９を含む。リファレンス回路４５は、基準信号Ｓ_ＲＥＦを提供する。比較器４９は、基準信号Ｓ_ＲＥＦをその反転入力にモニタ信号Ｓ_ＭＯＮその非反転入力に受け両者を比較し制御信号Ｓ_ＣＯＮＴを生成する。リファレンス回路４５は、例えば抵抗分圧回路により構成される。比較器４９の出力は、トランジスタ２５の制御端子に帰還され、トランジスタ２５を流れる電流を制御する。

この様に、制御回路２７ａは、検出回路２３の両端間の電位差△Ｖをモニタしこの電位差△Ｖが所定値を超えたとき、トランジスタを制御することによって所定の値を超える電流がＬＤ３５に流れることを防ぐように働く。トランジスタ２５は、図２では、電界効果トランジスタを用いているが、バイポーラトランジスタであっても同様の機能が実現できる。

ブレーカ回路１７ａをＬＤ３５から見込んだ時のインピーダンス（ブレーカ回路１７ａの出力インピーダンスに相当する）は、図２の様に、電界効果トランジスタがｎ型であるときは、電界効果トランジスタＶ_ｇｓ−Ｉ_ｄ特性の傾きに相当する。

ＬＤ１５のカソードを接地に短絡したとき、或いは回路が故障したとき、検出回路２３による電位降下が増大する。これ故に、ｎ型電界効果トランジスタのゲートの電位が下がりトランジスタがオフ状態に近づくためＬＤ１５のアノードの電位が低下してＬＤ１５に流れる電流を抑制する。

電界効果トランジスタはｐ型であるときは、ブレーカ回路１７ａの出力インピーダンスは電界効果トランジスタのＶ_ｄｓ−Ｉ_ｄ特性の傾き、すなわちドレインコンダクタンスに相当する。また、ブレーカ回路１７ａの出力インピーダンスは電界効果トランジスタ２５のドレインコンダクタンスと検出回路２３のインピーダンスとの和となる。ＬＤ１５のカソードが接地に短絡したときこのｐ型電界効果トランジスタはオフされる。

トランジスタ２５が遮断されていない正常動作時には、ブレーカ回路１７、１７ａの出力インピーダンスはダンピング抵抗として作用するので、高周波特性を乱すことなくブレーカ回路１７、１７ａをＬＤ１５と電源線２１との間に接続することができる。ＬＤ１５と駆動回路１３との間に挿入されているダンピング抵抗４３は、ブレーカ回路１７の出力インピーダンスに応じて調整することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本実施の形態に係る他のブレーカ回路を示すブロック図である。以下、第１の実施の形態と異なる点について説明する。本例に係るブレーカ回路１７ｂでは、制御回路２７ｂがリファレンス回路４５、比較器４９に加えて指示信号発生回路５５と、合成回路５７と、分圧回路５９とを含む。指示信号発生回路５５は、トランジスタが導通状態の時の出力インピーダンスに相当するダンピング抵抗値に関する指示信号Ｓ_ＩＮＤＣを発生する。合成回路５７は、比較器４９からの比較信号Ｓ_ＣＯＭＰと指示信号Ｓ_ＩＮＤＣとの演算結果（例えば、加算結果）に応じて制御信号Ｓ_ＣＯＮＴを生成する。本実施の形態に係るブレーカ回路１７ｂでは、そのトランジスタ２５が導通状態の時のインピーダンスに相当するダンピング抵抗を調整することができる。本実施の形態では、トランジスタ２５はｎ型電界効果トランジスタである。

図４（Ａ）は、ブレーカ回路１７ｂに用いられるｎ型電界効果トランジスタの電流電圧特性を示す図面である。図４（Ａ）を参照すると、様々な値の制御信号Ｓ_ＣＯＮＴ（Ｖ_Ｇ−Ｖ_Ｓ＝０．０、０．２、０．４、０．６ボルト）を受信したｎ型電界効果トランジスタのＶ_ＤＳ−Ｉ_ｄ特性が示されている。ブレーカ回路１７ｂでは、トランジスタ２５が遮断されていない（オンとなっている）通常動作時には、ドレイン−ソース間の電圧は大きくなく、トランジスタは非飽和領域で動作する。引き続く説明を簡素にするために、検出回路のインピーダンスはｎ型電界効果トランジスタの出力インピーダンスに比べて小さいとして、これを無視する。このため、ｎ型電界効果トランジスタは検出回路に接続されているけれども、ｎ型電界効果トランジスタのドレイン電位は、ほぼ電源電圧に等しいと仮定できる。制御信号Ｓ_ＣＯＮＴが変わると、電位差Ｖ_Ｄ−Ｖ_Ｇが変更される。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に基づいて横軸をドレイン−ゲート間電圧Ｖ_ＤＧに読み替えた特性図である。ＬＤに流れる電流Ｉ_ＬＤはドレイン電流であり、これはＬＤに供給される変調電流とバイアス電流に基づき決定される。例えば、制御信号Ｓ_ＣＯＮＴを与えてＶ_Ｄ−Ｖ_Ｇ＝Ｖ_Ｘとなったとすると、Ｖ_Ｇ−Ｖ_Ｓ＝０．２ボルトなるように、ソース電圧がバイアスされる。電圧Ｖ_Ｘにおける特性線（ｃ）の傾き（コンダクタンス）の逆数がダンピング抵抗となる。ゲート電圧が高くなると、電位差Ｖ_Ｄ−Ｖ_Ｇは小さくなり、電位差Ｖ_Ｇ−Ｖ_Ｓは大きくなる。特性線（ｃ）から特性線（ｂ）、特性線（ａ）と変わって行くに従って、特性線の傾きが大きくなり、ダンピング抵抗が小さくなる。つまり、ブレーカ回路を用いてダンピング抵抗を変更することができる。

（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態に係るレーザ駆動回路のブレーカ回路を示す回路図である。ブレーカ回路１７ｃでは、制御回路２７ｃは、リファレンス回路４５と、比較器４９に加えて指示信号発生回路５６、合成回路５８および保持回路６０を含んでいる。

比較器４９は、基準信号Ｓ_ＲＥＦとモニタ信号Ｓ_ＭＯＮとの比較しその結果を保持回路６０に送出する。

詳述すれば、ＬＤ１５に所定の値を超える電流が流れた場合、比較器４９は、ＬＤ１５に所定の値を超える電流が流れていることを示す信号を保持回路６０に送出し、保持回路６０は、制御信号Ｓ_ＣＯＮＴを所定値に固定するための信号Ｓ_ＣＯＭＰを合成回路５８に送出し、合成回路５８はこの状態を保持すると同時に制御信号Ｓ_ＣＯＮＴをｐ型電界効果トランジスタ２５に提供することで、トランジスタが遮断される。

ＬＤ１５に所定の値以下の電流が流れている場合、比較器５０は、ＬＤ１５に所定の値以下の電流が流れていることを示す信号を送出し、保持回路６０は、ダンピング抵抗の調整を可能する信号Ｓ_ＣＯＭＰを生成する。指示信号発生回路５６は、ダンピング抵抗値に関する指示信号Ｓ_ＩＮＤＣを発生する。合成回路５８は、比較信号Ｓ_ＣＯＭＰと指示信号Ｓ_ＩＮＤＣとの演算結果（例えば、加算結果）に応じて制御信号Ｓ_ＣＯＮＴを生成する。故に、ブレーカ回路１７ｃを利用してダンピング抵抗を調整することができる。

一度、比較器４９が過電流の検出に対応した信号を出力した場合には、その状態を示す制御信号Ｓ_ＣＯＮＴが保持回路６０により保持され、過電流状態が解消されて検出抵抗の両端の電位差が小さくなっても、保持回路６０は、制御信号Ｓ_ＣＯＮＴを出力し続ける。この状態を解除するためには、外部からのリセット信号を入力して駆動回路を初期状態に戻すことが必要である。

さらに、ブレーカ機能が働いていないとき、制御用トランジスタの制御端子に与える信号は、温度に応じて変化させてもよい。例えば、トランジスタの制御端子に固定バイアスが与えられている場合には、光送信器の検査時に、ある温度で光出力波形が最適となるバイアス条件を固定値として設定する。トランジスタの出力インピーダンスが温度に応じて変化する場合には、光送信器の検査時に複数の温度で波形が最適となるバイアス条件を求め、駆動回路に温度センサを付属させて各温度で最適になるようにバイアスを印加すればよい。このために、第２および第３の実施の形態では、レーザ駆動回路１１は、測温素子６１を更に備え、指示信号Ｓ_ＩＮＤＣを測温素子６１からの信号Ｓ_ＴＥＭＰに追随させて生成している。故に、トランジスタのインピーダンス、すなわち、ダンピング抵抗の値が、測温素子６１からの信号Ｓ_ＴＥＭＰに応じて変更される。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、本実施の形態に係るレーザ駆動回路を示す図面である。 図２は、第１の実施の形態に係るレーザ駆動回路の構成例を示す回路図である。 図３は、第２の実施の形態に係るレーザ駆動回路のブレーカ回路を示す回路図である。 図４（Ａ）は、ブレーカ回路に用いられるｎ型電界効果トランジスタの電流電圧特性を示す図面である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に基づいて電位差ＶＤ−ＶＧに読み替えられた特性図である。 図５は、第３の実施の形態に係るレーザ駆動回路のブレーカ回路を示す回路図である。

符号の説明

１１…レーザ駆動回路、１３…駆動回路、１５…ＬＤ、１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…ブレーカ回路、１９ａ、１９ｂ…駆動用トランジスタ、２１…電源、２３…検出回路、２５…制御用トランジスタ、２７…制御回路、２９…接地線、３１…変調電流源回路、３３…電流源、３５…光伝送路、３７…モニタ用フォトダイオード、３９…増幅回路、４１…ＡＰＣ回路、４３…ダンピング抵抗、４５…リファレンス回路、４９…比較器、５５…指示信号発生回路、５６…指示信号発生回路、５７…合成回路、５８…合成回路、５９…分圧回路、６０…保持回路、６１…測温素子

Claims (4)

1. 駆動回路と、
   アノードとカソードを有し、このアノードおよび前記カソードの一方が前記駆動回路に接続して前記駆動回路により駆動される半導体レーザ（ＬＤ）と、
   前記アノードおよび前記カソードの他方に接続されたブレーカ回路とを含む半導体レーザ駆動回路であって、
   前記ブレーカ回路は、検出回路と、この検出回路に直列に接続された制御用トランジスタと、制御回路を含み、
   前記検出回路は、前記ＬＤに流れる電流を検出し、
   前記制御回路は、前記検出回路により検出された前記電流と所定値とを比較する比較器を含み、前記比較器は、前記電流が前記所定値に満たない時は、前記トランジスタを非飽和領域で動作させ、前記電流が前記所定値に等しいかもしくは超えた時には前記トランジスタを遮断する制御信号を出力する、ことを特徴とするレーザ駆動回路。
2. 前記制御回路は指示信号発生回路と合成回路をさらに含み、
   前記指示信号発生回路は前記トランジスタの非飽和領域での動作条件を決定するバイアス信号を送出し、
   前記合成回路は、前記バイアス信号および前記制御信号を合成して前記トランジスタに供給する、
   ことを特徴とする請求項１のレーザ駆動回路。
3. 測温素子を更に備え、
   前記バイアス信号は前記測温素子からの信号に応答して生成される、ことを特徴とする請求項２に記載されたレーザ駆動回路。
4. 前記トランジスタは電界効果トランジスタであり、前記制御回路により非飽和領域にバイアスされている時には、前記ＬＤおよび前記駆動回路に対するダンピング抵抗として機能する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ駆動回路。
   
   

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