JP2009043784A - レーザダイオード駆動回路およびレーザダイオード駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】モニタ用フォトダイオードの異常時におけるレーザダイオード駆動電流の過度の増加を抑制できるレーザダイオード駆動回路およびレーザダイオード駆動方法を提供する。
【解決手段】レーザダイオード駆動回路1は、信号光Lを発生するレーザダイオード9に駆動電流Idを供給する回路であって、駆動電流Idを生成するLDドライバ(駆動電流源)3と、信号光Lの一部を受光し、信号光Lの強度を示す光強度信号Siを生成するモニタ用フォトダイオード5と、光強度信号Siに基づいて、LDドライバ3における駆動電流Idを制御する電流制御回路7とを備えている。電流制御回路7は、駆動電流Idが判定閾値に達するか又は超えた場合に、光強度信号Siによらず駆動電流Idを一定値に制御する。
【選択図】図1
【解決手段】レーザダイオード駆動回路1は、信号光Lを発生するレーザダイオード9に駆動電流Idを供給する回路であって、駆動電流Idを生成するLDドライバ(駆動電流源)3と、信号光Lの一部を受光し、信号光Lの強度を示す光強度信号Siを生成するモニタ用フォトダイオード5と、光強度信号Siに基づいて、LDドライバ3における駆動電流Idを制御する電流制御回路7とを備えている。電流制御回路7は、駆動電流Idが判定閾値に達するか又は超えた場合に、光強度信号Siによらず駆動電流Idを一定値に制御する。
【選択図】図1
Description
本発明は、レーザダイオード駆動回路およびレーザダイオード駆動方法に関するものである。
一般に、光通信用の送信器においては、内蔵されたコントローラが自動パワー制御(APC:Auto Power Control)を行って光出力の平均パワーと消光比を安定化している。通常は、送信器内に配置されたモニタ用フォトダイオード(以下、モニタPDという)を用いてレーザダイオード(以下、LDという)の光出力を測定し、測定値が一定となるようにLDに供給される駆動電流を調整する。このようなAPC方式に関する従来技術としては、例えば特許文献1に記載されたものがある。
特開2005−123414号公報
従来のAPC方式においては、例えばモニタPDに異常が発生してその出力信号が停止(或いは低下)すると、LDの光出力が低下したものと判断してより大きな駆動電流をLDに提供してしまう。これにより、光出力の平均パワーが過大となって通信エラーを招き、場合によっては安全基準を外れてしまう場合もある。特許文献1に記載された装置では、このような現象を回避するために、駆動電流が流れる経路に電流制限抵抗を設け、駆動電流の過度の増加を抑えている。しかしながら、LDは電流−光変換効率が温度によって大きく変化するため、同じ光出力を得るために必要な電流は、低温で小さく、高温で大きい。つまり、低温で平均パワーが過大となることを防止するための許容電流値が、高温での通常動作に必要な電流の最小値よりも大きく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たないことがある。
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、モニタPDの異常時におけるLD駆動電流の過度の増加を抑制できるLD駆動回路およびLD駆動方法を提供することを目的とする。
上記した課題を解決するために、本発明によるLD駆動回路は、信号光を発生するLDに駆動電流を供給するLD駆動回路であって、駆動電流を生成する駆動電流源と、信号光の一部を受光し、信号光の強度を示す光強度信号を生成するモニタPDと、光強度信号に基づいて、駆動電流を制御する電流制御回路とを備え、この電流制御回路が、駆動電流が判定閾値に達するか又は超えた場合に、光強度信号によらず駆動電流を一定値に制御することを特徴とする。
また、本発明によるLD駆動方法は、信号光を発生するLDに駆動電流を供給するLD駆動方法であって、信号光の一部を受光して信号光の強度を示す光強度信号を生成し、光強度信号に基づいて駆動電流を制御し、この駆動電流が判定閾値に達するか又は超えた場合には、光強度信号によらず駆動電流を一定値に制御することを特徴とする。
上記したLD駆動回路およびLD駆動方法においては、モニタPDに異常が発生して光強度信号が停止(或いは低下)すると、電流制御回路はLDの光出力が低下したものと判断し、光強度を一定に保とうとするために大きな駆動電流をLDに提供しようとする。そして、この大きさが判定閾値に達するか又は超えると、電流制御回路は光強度信号によらず駆動電流を一定値(例えば、モニタPDに異常が発生する前の駆動電流値)に制御する。これにより、モニタPDの異常時におけるLD駆動電流の過度の増加を抑制し、光出力の平均パワーが過大となることを防止できる。
また、LD駆動回路は、電流制御回路が、一定値を駆動電流に基づいて決定することを特徴としてもよい。また、LD駆動方法は、一定値を駆動電流に基づいて決定することを特徴としてもよい。このように、駆動電流の正常な値を保持しておき、駆動電流が判定閾値に達するか又は超えた場合(すなわちモニタPDに異常が発生した場合)に駆動電流をその保持値に制御することで、周囲温度等の動作環境が変化しない限り正常な通信状態を維持できる。
また、LD駆動回路は、電流制御回路が、LDの温度に応じて判定閾値を定めることを特徴としてもよい。また、LD駆動方法は、LDの温度に応じて判定閾値を定めることを特徴としてもよい。LDの電流−光出力特性はLDの温度により変化するので、通信時における正常な光出力強度はLDの温度によって異なる。したがって、LDの温度に応じて判定閾値を定めることにより、LD駆動電流の過度の増加をLD温度にかかわらず好適に判定できる。
本発明によるLD駆動回路およびLD駆動方法によれば、モニタPDの異常時におけるLD駆動電流の過度の増加を抑制できる。
以下、添付図面を参照しながら本発明によるLD駆動回路およびLD駆動方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明において、トランジスタとはバイポーラ型トランジスタ及び電界効果トランジスタ(FET)の双方を含むものとする。トランジスタがFETである場合、ベースをゲート、コレクタをドレイン、エミッタをソースとそれぞれ読み替えるものとする。
図1は、本発明によるLD駆動回路の一実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態のLD駆動回路1は、信号光Lを発生するLD9に駆動電流Idを供給するための回路である。図1を参照すると、LD駆動回路1は、LDドライバ3、モニタPD5、電流制御回路7、及び温度検知素子21を備えている。
LDドライバ3は、LD9を高速で駆動するための回路である。LDドライバ3は、本実施形態における駆動電流源であり、駆動電流Idを生成してLD9に提供する。LDドライバ3は、定常的なバイアス電流Ibと、高周波の送信信号Txに応じて変調された変調電流Imとを生成し、これらを駆動電流IdとしてLD9に提供する。LDドライバ3は、例えば差動増幅回路を含んで構成される。
モニタPD5は、LD9から発生した信号光Lの一部を受光し、信号光Lの光強度を示す光強度信号Siを生成する。モニタPD5としては、例えばPINフォトダイオードが用いられる。本実施形態のモニタPD5は、LD9の背面(光反射面)側に配置され、LD9の背面光Lbを受光して背面光Lbの光強度に応じた光電流を生成し、該光電流またはその相当電圧を光強度信号Siとして出力する。なお、モニタPDは、LDの光出射面側に配置されたビームスプリッタによって信号光Lから分波された光を受光するように配置されてもよい。
電流制御回路7は、LDドライバ3における駆動電流Idを制御するための回路である。電流制御回路7は、モニタPD5から出力された光強度信号Siを入力し、この光強度信号Siに示される信号光Lの平均光強度及び消光比が所定の大きさ(例えば、光通信規格に定められた大きさ)に維持されるようにLDドライバ3における駆動電流Idを制御する。また、電流制御回路7は、モニタPD5に異常が発生するなどして駆動電流Idが或る判定閾値に達するか又は超えた場合、光強度信号Siによらず駆動電流Idを一定値(例えば、モニタPD5に異常が発生する前の駆動電流値)に制御する。
本実施形態の電流制御回路7は、制御信号生成回路11、スイッチ13、信号保持回路15、及び制御部17を有している。制御信号生成回路11は、光強度信号Siを入力し、信号光Lの平均光強度が所定の大きさに維持されるようにLDドライバ3における駆動電流Idを制御するための制御信号を生成する回路である。制御信号生成回路11は、LDドライバ3を制御するための制御信号Sapcを、光強度信号Siが所定値となるように生成し、LDドライバ3へ提供する。スイッチ13は、制御信号生成回路11とLDドライバ3との間に接続されており、LDドライバ3の接続先を、制御信号生成回路11、または後述する信号保持回路15のいずれか一方に設定する。なお、スイッチ13は図1において機械式スイッチとして概念的に描かれているが、スイッチ13としては例えばFETやバイポーラトランジスタといった半導体素子が好適である。
信号保持回路15は、本実施形態における信号保持手段であり、駆動電流Idの大きさを示す電流量信号Sjを保持する。信号保持回路15は、電流量信号Sjを次のようにして生成する。まず、後述する制御部17によって制御信号Sapcまたはその相当信号が取り込まれる。そして、この信号に対応する信号Skが制御部17から信号保持回路15へ提供される。信号保持回路15は、この信号Skに基づいて電流量信号Sjを生成する。なお、図1中に破線で示すように、LDドライバ3から出力される駆動電流Idを電流モニタ回路23によって検出し、その検出信号Sdを制御部17が取り込み、対応する信号Skが制御部17から信号保持回路15へ提供されてもよい。
温度検知素子(サーミスタ)21は、本実施形態におけるレーザ温度検出手段であり、LD9の近傍に配置される。温度検知素子21は、LD9の温度を示すレーザ温度信号Stを生成し、制御部17へ提供する。
制御部17は、スイッチ13の切り替えを制御する。制御部17は、例えば、所定のプログラムを格納したメモリと、該所定のプログラムを読み出して実行するCPUとを含むディジタル演算処理回路を含んで構成される。また、制御部17は、他の回路から提供されたアナログ信号をディジタル信号に変換して取り込むA/D変換回路と、他の回路へ提供するアナログ信号をディジタル信号から変換するD/A変換回路とを含んで構成される。
本実施形態の制御部17は、主に次の二つの機能を有する。一つは、スイッチ13を制御する機能である。すなわち、制御部17は駆動電流Idをモニタし、これが或る判定閾値に達しない間は制御信号生成回路11とLDドライバ3とが互いに接続されるようにスイッチ13を制御する。これにより、モニタPD5に異常がなく駆動電流Idが正常である間は、信号光Lの平均光強度及び消光比が所定の大きさに維持されるように制御信号生成回路11によって駆動電流Idが制御される。また、駆動電流Idが或る判定閾値に達するか又は超えた場合には、制御部17は信号保持回路15とLDドライバ3とが互いに接続されるようにスイッチ13を切り替える。これにより、モニタPD5の異常などによって駆動電流Idが過大となった場合に、光強度信号Siによらず駆動電流Idは一定値(信号保持回路15からの電流量信号Sj)に制御される。
制御部17は、上記した判定閾値をLD9の温度に応じて定める。具体的には、制御部17は、温度検知素子21からLD9の温度を示すレーザ温度信号Stを受け取り、このレーザ温度信号Stが示すLD9の温度に応じて判定閾値を定める。
また、制御部17の他の一つの機能は、信号保持回路15の電流量信号Sjを更新する機能である。すなわち、制御部17は、駆動電流Idが判定閾値に達しない間、制御信号Sapcを周期的に取り込み、これに対応する信号Skを信号保持回路15へ提供して、電流量信号Sjを制御する。制御部17が電流量信号Sjを更新する周期は、例えば1ミリ秒程度である。なお、駆動電流Idが判定閾値に達した後は、制御部17によってスイッチ13が信号保持回路15側に切り替えられるので、電流量信号Sjは一定となる。
また、本実施形態の制御部17は、上記した二つの機能以外に、警告(アラーム)信号Saを出力する機能を有する。制御部17は、駆動電流Idが判定閾値に達するか又は超えた場合に、警告信号Saを出力する。警告信号Saは、LD駆動回路1の外部に設けられた回路へ提供され、駆動電流Idが判定閾値に達するか又は超えた事実を外部に示す。
図2は、LDドライバ3の構成例を示す回路図である。このLDドライバ3は、LD9へバイアス電流Ibを供給するバイアス電流生成部31と、LD9へ変調電流Imを供給する変調電流生成部32とを有する。なお、LD9のアノードは、電源33に接続されている。
バイアス電流生成部31は、LD9のカソードに接続されており、バイアス電流源としてのnpn型トランジスタ310を含む。トランジスタ310のコレクタはLD9のカソードに接続されており、エミッタはGND34に接続されている。また、トランジスタ310のベースは信号入力端31aに接続されている。この信号入力端31aは電流制御回路7に接続される。このような構成により、バイアス電流生成部31は、信号入力端31aに入力される信号に応じた大きさの定常的なバイアス電流IbをLD9に供給する。
変調電流生成部32は、一対のnpn型トランジスタ320及び321、並びに変調電流源としてのnpn型トランジスタ322を有する。トランジスタ320及び321それぞれのエミッタはトランジスタ322の一方のコレクタに接続されている。トランジスタ320のコレクタはLD9のカソードに接続されている。トランジスタ321のコレクタは電源33に接続されている。トランジスタ322のエミッタは基準電位線34に接続されている。
また、トランジスタ320及び321の各ベースは、それぞれ信号入力端32a及び32bに接続されている。信号入力端32a及び32bには、送信信号Txが差動信号Tx1,Tx2として入力される。トランジスタ322のベースは、信号入力端32cに接続されている。この信号入力端32cは電流制御回路7に接続される。このような構成により、変調電流生成部32は、信号入力端32cに入力される信号電圧に応じた大きさの振幅を有し差動信号Tx1,Tx2に応じて変調された変調電流ImをLD9に供給する。
こうして、直流のバイアス電流Ibと交流の変調電流Imとを合わせた駆動電流Id(=Ib+Im)がLD9へ供給されることにより、LD9から信号光が出力される。
図3は、電流制御回路7の回路図である。図3において、モニタPD5のカソードは電源18に接続されており、そのアノードは抵抗110を介してGND19に接続されている。また、制御信号生成回路11は、抵抗110の両端電圧を光強度信号Siとして入力するバッファ回路111と、バッファ回路111からの出力電圧を反転増幅する増幅回路112とを備えている。また、制御信号生成回路11は、反転増幅回路112からの出力電圧を更に反転増幅する増幅回路113を備えている。増幅回路113の出力端はスイッチ131の一方の入力端子131aに接続されている。また、制御信号生成回路11は、増幅回路113とは別に、増幅回路112からの出力電圧を反転増幅する増幅回路114を備えている。増幅回路114の出力端はスイッチ132の一方の入力端子132aに接続されている。なお、スイッチ131及び132は共に図1に示したスイッチ13に相当し、制御部17によってその切替状態が制御される。
スイッチ131の出力端子131cには反転増幅回路115が接続されている。増幅回路115から出力された制御信号Sapc1は、LDドライバ3に提供される。なお、この制御信号Sapc1は、図1における信号Sapcに相当する。このような構成により、抵抗110の両端電圧(光強度信号Si)は、バッファ111、増幅回路112、113、及び115によって或る利得で増幅され、制御Sapc1としてバイアス電流生成部31(図2参照)に提供される。そして、光強度信号Siが大きくなると(すなわち、LD9の光強度が大きくなると)、それに応じて制御信号Sapc1が小さくなりバイアス電流Ibが所定の大きさに維持される。
スイッチ132の出力端子132cには反転増幅回路116が接続されている。増幅回路116から出力された信号(制御信号)Sapc2は、LDドライバ3に提供される。なお、この制御信号Sapc2もまた、図1における制御信号Sapcに相当する。このような構成により、抵抗110の両端電圧(光強度信号Si)は、バッファ111、増幅回路112、114、及び116によって或る利得でもって増幅され、制御信号Sapc2として変調電流生成部32(図2参照)に提供される。そして、光強度信号Siが大きくなると(すなわち、LD9の光強度が大きくなると)、それに応じて制御信号Sapc2が小さくなり変調電流Imが所定値に維持される。
また、図3に示す電流制御回路7において、信号保持回路15は、バイアス電流及び変調電流の値をそれぞれ保持する保持部151、152を有する。バイアス電流保持部151は、電源18とGND19との間に接続されて電源電圧を分圧する固定抵抗151a及び可変抵抗151bを含む。同様に、変調電流保持部152は、電源18とGND19との間に直列に接続されて電源電圧を分圧する固定抵抗152a及び可変抵抗152bを含む。バイアス電流保持部151の抵抗151a、151bによって生成された電圧は、信号Sj1としてスイッチ131の他方の端子131bに提供される。また、変調電流保持部152の抵抗152a、152bによって生成された電圧は、信号Sj2としてスイッチ132の他方の端子132bに提供される。なお、信号Sj1及びSj2は、図1における信号Sjに相当する。
信号保持回路15の可変抵抗151b及び152bは、制御部17から提供される信号Sk1及びSk2に応じてそれぞれ変化する。制御部17は、スイッチ131の出力を検出し、バイアス電流保持部151の出力(信号Sj1)がこれと等しくなるように信号Sk1を周期的に生成し、可変抵抗151bを制御する。また、制御部17は、スイッチ132の出力を検出し、変調電流保持部152の出力(信号Sj2)がこれと等しくなるように信号Sk2を周期的に生成し、可変抵抗152bを制御する。従って、スイッチ131の入力131b及び132bは、その出力131c及び132cと等しくなるよう周期的に更新される。
また、制御部17は、スイッチ131の出力を検出することでバイアス電流Ibをモニタし、スイッチ132の出力を検出することで変調電流Imをモニタする。制御部17は、バイアス電流Ibが判定閾値に達しない間はその入力131aと出力131cとが互いに接続されるようにスイッチ131を制御し、変調電流Imがその判定閾値に達しない間は入力132aと出力132cを接続すようにスイッチ132を制御する。一方、バイアス電流Ibがその判定閾値に達するか又は超えた場合、入力131bと出力131cとを接続し、他方のスイッチ132の入力132bと出力132cとを接続する。また、制御部17は、温度検知素子21からLD9の温度を示す信号Stを受け取り、LD9の温度に応じてバイアス電流用及び変調電流用の各判定閾値を定める。
以上に説明した構成を備えるLD駆動回路1を用いたLD駆動方法について説明する。図4は、本実施形態におけるLD駆動方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明においては、図1に示した構成に基づいてLD駆動方法を説明する。
このLD駆動方法においては、先ず、スイッチ13を制御信号生成回路11側に設定する(ステップS1)。そして、駆動電流IdがLD9に供給されてLD9の発光が開始されると、モニタPD5においてLD9からの信号光Lの一部(背面光Lb)が光電流に変換され、光強度信号Siが生成される。光強度信号Siは制御信号生成回路11へ提供され、LDドライバ3は駆動電流Idを、光強度信号Siが所定値に近づくように信号Sapcによって制御する(ステップS2)。
制御信号生成回路11によって光強度が一定に制御されている間、制御部17によって信号Sapcが取り込まれ(或いは、図1に示した電流モニタ回路23からの信号Sdが制御部17に入力され)、駆動電流Idがモニタされる(ステップS3)。また、駆動電流Idを判定するための判定閾値が、制御部17においてLD9の温度に応じて定められる。そして、駆動電流Idが判定閾値より小さい場合(ステップS4:NO)、制御信号生成回路11による光強度を一定とする制御が継続され、信号保持回路15に保持されている信号Sjが、信号Sapcと一致するように制御部17によって周期的に更新される(ステップS5)。
一方、駆動電流Idが判定閾値に達するか又は超えた場合(ステップS4:YES)、警告信号Saが出力されたのち(ステップS6)、スイッチ13が信号保持回路15側に切り替えられる(ステップS7)。これにより、LDドライバ3には、信号保持回路15により保持されている信号Sjが提供される。従って、駆動電流Idは光強度信号Siによらず一定値に制御され、この一定値は信号Sjに基づいて決定されることとなる。
本実施形態のLD駆動回路1およびLD駆動方法においては、モニタPD5に異常が発生するなどして光強度信号Siが停止(或いは低下)すると、電流制御回路7は信号光Lの光強度が低下したものと判断してより大きな駆動電流Id(バイアス電流Ib及び変調電流Im)をLD9に提供しようとする。そして、駆動電流Idが判定閾値に達するか又は超えると、電流制御回路7は光強度信号Siによらず駆動電流Idを一定値に制御する。これにより、モニタPD5の異常時における駆動電流Idの過度の増加を防ぎ、光出力の平均パワーが過大となることを防止できる。
また、本実施形態のLD駆動回路1およびLD駆動方法においては、駆動電流Idに対応する信号Sjを信号保持回路15が保持し、上記一定値はこの信号Sjに基づいて決定されている。このように、駆動電流Idの正常値を保持しておき、駆動電流Idが判定閾値に達するか又は超えた場合(すなわちモニタPD5に異常が発生した場合)に駆動電流Idをその保持値に制御する。周囲温度等の動作環境が変化しない限り正常な通信状態を維持できる。光通信モジュールの動作環境が短時間で変化することは考え難く、少なくとも異常発生から光通信モジュールを交換するまでの間、暫定的な通信が可能となる。
また、本実施形態のLD駆動回路1およびLD駆動方法においては、制御部17がLD9の温度に応じて判定閾値を定めている。LD9の電流−光出力特性は温度により変化する。例えば信号光Lの光強度を[5mW]とする場合に必要な駆動電流Idが、低温時では30[mA]程度、高温時では70[mA]程度とすると、高温時と低温時とでは駆動電流Idが実に2倍以上も異なることとなる。このような場合に動作保証温度範囲の全てに亘って判定閾値を一定とするのは適切ではない。本実施形態のようにLD9の温度に応じて判定閾値を調整することにより、駆動電流Idの過度の増加をLD温度にかかわらず好適に判定できる。
本発明によるLD駆動回路及びLD駆動方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では駆動電流を示す信号を保持する手段として分圧抵抗からなる回路を示したが、例えば制御部に含まれるメモリであってもよい。また、上記実施形態では制御部がメモリ及びCPUを含むディジタル演算処理回路を含んで構成されているが、制御部はアナログ回路によって構成されてもよい。
1…駆動回路、3…LDドライバ、5…モニタ用フォトダイオード、7…電流制御回路、9…レーザダイオード、11…制御信号生成回路、13,131,132…スイッチ、15…信号保持回路、17…制御部、18,33…電源、21…温度検知素子、23…電流モニタ回路、31…バイアス電流生成部、32…変調電流生成部、151…バイアス電流保持部、152…変調電流保持部、Ib…バイアス電流、Id…駆動電流、Im…変調電流、L…信号光、Lb…背面光、Sa…警告信号、Sapc…制御信号、Si…光強度信号、Sj…電流量信号、St…レーザ温度信号、Tx…送信信号。
Claims (6)
- 信号光を発生するレーザダイオードに駆動電流を供給するレーザダイオード駆動回路であって、
前記駆動電流を生成する駆動電流源と、
前記信号光の一部を受光し、前記信号光の強度を示す光強度信号を生成するモニタ用フォトダイオードと、
前記光強度信号に基づいて、前記駆動電流を制御する電流制御回路と
を備え、
前記電流制御回路は、前記駆動電流が判定閾値に達するか又は超えた場合に、前記光強度信号によらず前記駆動電流を一定値に制御することを特徴とする、レーザダイオード駆動回路。 - 前記電流制御回路は、前記一定値を前記駆動電流に基づいて決定することを特徴とする、請求項1に記載のレーザダイオード駆動回路。
- 前記電流制御回路は、前記レーザダイオードの温度に応じて前記判定閾値を定めることを特徴とする、請求項1または2に記載のレーザダイオード駆動回路。
- 信号光を発生するレーザダイオードに駆動電流を供給するレーザダイオード駆動方法であって、
前記信号光の一部を受光して前記信号光の強度を示す光強度信号を生成し、前記光強度信号に基づいて前記駆動電流を制御し、前記駆動電流が判定閾値に達するか又は超えた場合には、前記光強度信号によらず前記駆動電流を一定値に制御することを特徴とする、レーザダイオード駆動方法。 - 前記一定値を前記駆動電流に基づいて決定することを特徴とする、請求項4に記載のレーザダイオード駆動方法。
- 前記レーザダイオードの温度に応じて前記判定閾値を定めることを特徴とする、請求項4または5に記載のレーザダイオード駆動方法。
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