JP2013183147A - レーザーダイオード駆動装置および駆動方法、並びにそれを用いた光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】レーザーダイオード駆動装置において、従来のエッジ検出回路を用いることなく非対称な補正を実現することにより、光伝送の高速化かつ低消費電力化を図る。
【解決手段】入力信号に基づいてＨＩ期間とＬＯＷ期間とを有する駆動電流ＩＭ１を生成する駆動電流発生回路１３と、前記入力信号からエンファシス信号を生成するエンファシス発生回路１４と、前記エンファシス信号に基づいて補正電流ＩＭ２を生成する補正電流発生回路１７とを備え、前記駆動電流ＩＭ１と前記補正電流ＩＭ２を合成してレーザーダイオード駆動信号ＩＭを生成するレーザーダイオード駆動装置１０であって、前記エンファシス発生回路１４を、前記入力信号を所定時間遅延する信号遅延回路１５と、前記遅延した信号のデューティ比を調整するデューティ比調整回路１６から構成し、レーザーダイオード駆動信号ＩＭの立ち上がりと立ち下がりとで非対称な補正を行うようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光伝送のためのレーザーダイオード駆動装置および駆動方法、並びにそれを用いた光伝送システムに関し、特に、高速な光伝送を実現するためのレーザーダイオード駆動装置に関する。

近年、サーバやルータなどの情報機器では装置間や回路基板間での高速データ伝送の要求が高まっており、従来の電気伝送からより高速な伝送が可能となる光伝送に移行しつつある。

図３に、光伝送システムの概略ブロック図を示す。光伝送システムでは、データ信号（電気）から送信器（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）３１でレーザーダイオード（ＬＤ）駆動電流を生成し、ＬＤ３２を駆動することで光信号を光ファイバ等の光伝送路３３を介して送信する。光信号はフォトダイオード３４で受信電流（電気）へ変換され、受信機（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）３５で再びデータ信号（電気）へと復調される。光伝送では、レーザーダイオード駆動部での信号劣化が大きく、高速な光伝送を実現するには、レーザーダイオードの高速駆動が必要となる。

光伝送のためのレーザーダイオード駆動装置に関する技術として、特許文献１には、「入力信号に応じた変調電流信号を発生するメインパルスジェネレータと、入力信号の立ち上がりと立ち下がりを検出するエッジ検出器と、エッジ検出器の立ち上がりの検出結果に基づくパルス信号に応じて、立ち上がりエンファシスパルス信号を発生するライジングエッジパルスジェネレータと、エッジ検出器の立ち下がりの検出結果に基づくパルス信号に応じて、立ち下がりのエンファシスパルス信号を発生するフォーリングエッジパルスジェネレータを具備する。そして、変調電流信号、立ち上がりエンファシスパルス信号及び立ち下がりエンファシスパルス信号を合わせた信号を、駆動電流信号としてレーザーダイオードに与えるようにする。」と記載されている(要約参照）。

また、特許文献２には、データ信号の立ち下がりエッジを検出し、エッジ信号に比例した補正を行うことが、開示されている(図１６参照）。

特開２０１０−１４１１３８号公報 米国特許出願公開第２００６／００４４０７２号明細書

特許文献１には、データ信号の立ち上がりと立ち下がりを検出するエッジ検出回路を設け、それぞれのエッジ信号からエンファシスパルスを生成することで、立ち下がりと立ち上がりのエンファシスを独立に制御するようにしたレーザーダイオード駆動装置が記載されている。しかし、光伝送の高速化にはエッジ検出回路の高速化が必要であり、実現が困難である。また、エッジ検出回路での消費電力が大きく、低消費電力化が困難であり、近年の微細プロセスには適用できないものである。

特許文献２には、データ信号の立ち下がりエッジを検出し、エッジ信号に比例した補正を行うことが開示されているが、立ち上がりのエンファシスを制御することはできない。また、電源電圧として高い電圧が必要であり、低電圧である近年の微細プロセスでは動作させることが出来ない。

本発明は、レーザーダイオード駆動装置において、従来のエッジ検出回路を用いることなく非対称な補正を実現することにより、光伝送の高速化かつ低消費電力化を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザーダイオード駆動装置は、入力信号に基づいてＨＩ期間とＬＯＷ期間とを有する駆動電流を生成する駆動電流発生回路と、前記入力信号からエンファシス信号を生成するエンファシス発生回路と、前記エンファシス信号に基づいて補正電流を生成する補正電流発生回路とを備え、前記駆動電流と前記補正電流を合成してレーザーダイオード駆動信号を生成するレーザーダイオード駆動装置であって、前記エンファシス発生回路を、前記入力信号を所定時間遅延する信号遅延回路と、前記遅延した信号のデューティ比を調整するデューティ比調整回路から構成し、レーザーダイオード駆動信号の立ち上がりと立ち下がりとで非対称な補正を行うようにしたものである。

本発明のレーザーダイオード駆動装置において、前記デューティ比調整回路を、前記信号遅延回路の出力部に接続した、オフセットを発生する電圧源または電流源で構成してもよい。
また、本発明のレーザーダイオード駆動装置において、前記信号遅延回路は、遅延時間を調整可能としてもよい。
また、本発明のレーザーダイオード駆動装置において、前記デューティ比調整回路は、遅延した信号のデューティ比を調整可能としたものでよい。
また、本発明のレーザーダイオード駆動装置において、前記信号遅延回路を差動増幅器で構成し、前記デューティ比調整回路を、前記差動増幅回路の出力部に接続した、オフセットを発生する電流源で構成してもよい。
また、本発明のレーザーダイオード駆動装置において、前記電流源を調整可能とすることにより、遅延した信号のデューティ比を調整可能としてもよい。

本発明の光伝送システムは、上記のレーザーダイオード駆動装置を情報機器の装置間或いは回路基板間のデータ伝送に用いたものである。
また、本発明の他の光伝送システムは、上記のレーザーダイオード駆動装置を光アクティブケーブルのデータ伝送に用いたものである。

本発明のレーザーダイオード駆動方法は、入力信号に基づいてＨＩ期間とＬＯＷ期間とを有する駆動電流を生成する駆動電流発生工程と、前記入力信号からエンファシス信号を生成するエンファシス発生工程と、前記エンファシス信号に基づいて補正電流を生成する補正電流発生工程と、前記駆動電流と前記補正電流を合成してレーザーダイオード駆動信号を生成する合成工程とを備えるレーザーダイオード駆動方法であって、前記エンファシス発生工程は、前記入力信号を所定時間遅延する信号遅延工程と、前記遅延した信号のデューティ比を調整するデューティ比調整工程とを有し、レーザーダイオード駆動信号の立ち上がりと立ち下がりとで非対称な補正を行うようにしたものである。

本発明によれば、レーザーダイオード駆動装置において、エンファシス発生回路を信号遅延回路およびデューティ比調整回路で構成することにより、従来のエッジ検出回路を用いることなく非対称な補正を実現することができ、光伝送の高速化かつ低消費電力化を図ることができる。

本発明のレーザーダイオード駆動装置の一例を示す図である。 本発明のレーザーダイオード駆動装置による信号波形の一例を示す図である。 光伝送システムの概略構成を示す図である。 レーザーダイオード駆動部の等価回路を示す図である。 駆動電流と光出力の関係を示す図である。 本発明の実施例１のレーザーダイオード駆動装置を示す図である。 本発明の実施例１のデューティ比調整回路の動作を説明する図である。 本発明の実施例２のレーザーダイオード駆動装置を示す図である。 本発明の実施例３のレーザーダイオード駆動装置を示す図である。 本発明の実施例４のレーザーダイオード駆動装置を示す図である。 本発明の実施例５のレーザーダイオード駆動装置を示す図である。 本発明の実施例６の光伝送システムを示す図である。 本発明の実施例７の光伝送システムを示す図である。 レーサーダイオード駆動電流のシミュレーション結果の一例を示す図である。 レーサーダイオード光出力波形のアイパタンのシミュレーション結果の一例を示す図である。

本発明の実施の形態を説明する前に、レーザーダイオード（ＬＤ）駆動部について説明する。
ＬＤ駆動部で信号劣化を引き起こす要因は、(1)寄生容量および(2)レーザーダイオードの応答性能であり、それぞれ異なる補正を行う必要がある。先ず、(1)寄生容量について、駆動回路を構成するＬＳＩ内部の寄生容量やレーザーダイオードの寄生容量による信号劣化は信号の立ち上がりと立ち下がりとで対称的なものであり、この信号劣化を補正するために、対称な補正が必要である。これに対して、(2)レーザーダイオードの応答性能については、立ち上がりの応答時間に比べて立ち下がりの応答時間が長いという非対称な特性を備えており、この信号劣化を補正するために、非対称な補正が必要となる。

図４に、ＬＤ駆動部の等化回路を示す。レーザーダイオード４３には、駆動回路４１から配線４２を介してレーザーダイオード電流ＩＬＤが供給される。Ｃｏは、ＬＳＩ内部の寄生容量や実装容量・配線容量などを合わせた寄生容量であり、ＣＬＤは、レーザーダイオードの寄生容量である。

図５に、（ａ）補正無しの場合、（ｂ）対称補正を行った場合、（ｃ）非対称補正を行った場合について、駆動電流ＩＭ、レーザーダイオード電流ＩＬＤおよび光出力の関係を示す。（ａ）補正無しの場合には、寄生容量ＣｏおよびＣＬＤにより、ＬＤ電流は理想ＬＤ電流から立ち上がりおよび立ち下がりにおいて遅れを生じ、光出力は混信し易いものとなる。（ｂ）対称補正を行った場合には、駆動電流の立ち上がりおよび立ち下がりに対称的なパルスを重畳することにより、寄生容量に基づく信号劣化を補正することができるが、ＬＤの非対称性に基づく立ち下がりの補正が不十分である。（ｃ）非対称補正を行った場合には、駆動電流の立ち上がりに短い幅のパルスを、駆動連流の立ち下がりに長い幅のパルスを重畳することにより、ＬＤの応答性能を考慮した補正を行うことができる。

図１に、本発明の実施の形態としての、レーザーダイオード駆動装置１０のブロック構成図の一例を示す。データ信号は入力端子１１に、正相信号ＶＩＮ＿Ｐおよび逆相信号ＶＩＮ＿Ｎとして入力される。そして、前置駆動回路１２で増幅され、駆動電流発生回路１３で駆動電流ＩＭ１が生成される。他方、データ信号の正相信号ＶＩＮ＿Ｐおよび逆相信号ＶＩＮ＿Ｎは、エンファシス発生回路１４にも加えられる。エンファシス発生回路１４は、信号遅延回路１５およびデューティ比調整回路１６から構成されており、入力信号に所定時間の遅延を付与するとともに、デューティ比の調整を行う。エンファシス発生回路１４の出力に基づいて、補正電流発生回路１７で補正電流ＩＭ２を生成する。駆動電流ＩＭ１と補正電流ＩＭ２は重畳され、出力端子１８からＬＤ駆動電流ＩＭとしてＬＤに供給される。

図２の信号波形を参照して、図１のレーザーダイオード駆動装置の動作を説明する。（ａ）デューティ比制御なしの場合、データ信号ＶＭ１に対して、前置駆動回路１２および駆動電流発生回路１３でＨＩ期間とＬＯＷ期間とを有する駆動電流ＩＭ１を生成する。他方、データ信号ＶＭ１に対して、信号遅延回路１５で立ち上がりおよび立ち下がり共に同一の時間の信号遅延ｔｄ１を発生させて、遅延データ信号ＶＭ２を生成し、補正信号発生回路１７で補正電流ＩＭ２を生成する。駆動電流ＩＭ１と補正電流ＩＭ２とを合成することにより、レーザーダイオード駆動電流ＩＭが作成される。デューティ比制御なしの場合には、パルスの立ち上がりと立ち下がりとで同じパルスを重畳した対称な駆動電流ＩＭが作成される。

これに対して、（ｂ）デューティ比制御ありの場合、信号遅延回路１５で遅延した信号に対し、デューティ比調整回路１６でデューティ比を調整し、立ち上がりと立ち下がりとで異なる時間の遅延（ｔｄ２，ｔｄ３）を備えたデータ信号ＶＭ２を生成し、このデータ信号ＶＭ２に基づいて補正電流発生回路１７で補正電流ＩＭ２を生成する。駆動電流ＩＭ１と補正電流ＩＭ２とを合成することにより、レーザーダイオード駆動電流ＩＭが作成されるが、デューティ比制御を行うことにより、パルスの立ち上がりと立ち下がりとで異なる幅のパルスを重畳した非対称な駆動電流ＩＭを作成することができる。

図１４に、デューティ比調整有りの場合と無しの場合の、レーザーダイオード駆動電流を示す。この図は、回路シミュレーター（Ｃａｄｅｎｃｅ社「Ｓｐｅｃｔｒｅ」）によるシミュレーション結果の一例を示す図である。図に示されるように、デューティ比調整を行わない場合は、立ち上がりと立ち下がりのエンファシス量は同一であるが、デューティ比を調整することで、立ち上がりと立ち下がりの非対称エンファシスを実現することができる。

図１５に、デューティ比調整有りの場合と無しの場合の、レーザーダイオード光出力波形のアイパタンを示す。この図は、回路シミュレーター（Ｃａｄｅｎｃｅ社「Ｓｐｅｃｔｒｅ」）によるシミュレーション結果（２５Ｇｂｐｓ伝送波形）の一例を示す図である。ここで、アイパタンとは、入力データのパルス幅の整数倍の周期で波形を重ね合わせたものであり、どの程度「１」と「０」のレベルを区別できる波形かを示す指標である。図において、中央の部分の開口高さと開口幅が大きいほど理想に近いものとなる。デューティ比調整による非対称エンファシスにより、アイパタンの開口幅が、６６％から７３％に約７％改善している。

図６に、本発明の実施例１のレーザーダイオード駆動装置を示す。
正相信号ＤＰと逆相信号ＤＮから成るデータ信号が入力端子に入力され、ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２と抵抗Ｒ１，Ｒ２と電流源ＩＳ１から構成される差動増幅器から成る前置駆動回路１２に供給される。前置駆動回路１２で増幅された信号は、ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ４と電流源ＩＳ２，ＩＳ３から構成される駆動電流発生回路１３に供給され、駆動電流ＩＭ１が生成される。入力したデータ信号は、信号遅延回路１５にも供給され、所定時間遅延した遅延正相信号ＩＮ_Ｐおよび遅延逆相信号ＩＮ_Ｎが得られる。本実施例では、デューティ比調整回路１６は、信号遅延回路１５の出力部に電圧源Ｖ１，Ｖ２を接続し、オフセットを発生させることで構成されている。デューティ比調整回路１６の出力ＶＭ２は、ＭＯＳトランジスタＭ５，Ｍ６と電流源ＩＳ４から構成される補正電流発生回路１７に供給され、補正電流ＩＭ２を生成する。駆動電流ＩＭ１と補正電流ＩＭ２は合成され、出力端子からレーザーダイオード駆動電流ＩＭとしてＬＤに供給される。

図７に、オフセット電圧の調整によるデューティ比の調整を示す。（ａ）オフセット電圧無しの場合は、補正電流ＩＭ２のデューティ比は例えば５０％と一定である。これに対し、（ｂ）オフセット電圧ありの場合は、電圧源によりオフセットＶｏｆｆを発生させることで正相信号ＩＮ_Ｐと逆相信号ＩＮ_Ｎとの関係が変化し、補正電流ＩＭ２のデューティ比を変化させることができる。

本実施例によれば、信号遅延回路とデューティ比調整回路を設けることで、エッジ検出回路を用いることなく、レーザーダイオード駆動信号の非対称な補正を行うことができる。

図８に、本発明の実施例２のレーザーダイオード駆動装置を示す。
実施例１と異なる点は、信号遅延回路１５の遅延時間を調整可能とした点にある。この実施例では、信号遅延回路１５の遅延時間を調整可能とし、例えば外部から調整できるようにすることで、適切な補正量に設定することができる。

図９に、本発明の実施例３のレーザーダイオード駆動装置を示す。
実施例２と異なる点は、電圧源Ｖ１，Ｖ２のオフセット量を調整可能とした点にある。この実施例では、デューティ比調整回路１６を構成する電圧源Ｖ１，Ｖ２のオフセット電圧量を調整可能とし、例えば外部から調整可能とすることで、レーザーダイオード駆動電流ＩＭの非対称補正の調整が可能となり、最適な補正を行うことができる。

図１０に、本発明の実施例４のレーザーダイオード駆動装置を示す。
実施例１と異なる点は、信号遅延回路１５をトランジスタＭ７，Ｍ８と抵抗Ｒ７，Ｒ８と電流源ＩＳ５で構成される差動増幅器で構成し、差動増幅器の出力側に電流源Ｉ１，Ｉ２を接続した点である。電流源Ｉ１，Ｉ２により、オフセット電圧を発生させることができ、オフセット調整が可能となる。

図１１に、本発明の実施例５のレーザーダイオード駆動装置を示す。
実施例４と異なる点は、電流源Ｉ１，Ｉ２のオフセット量を調整可能とした点にある。オフセット量を調整可能とすることにより、実施例３と同様に、レーザーダイオード駆動電流ＩＭの非対称補正の調整が可能となり、最適な補正を行うことができる。

図１２に、本発明の実施例６の光伝送システムを示す。
この実施例は、例えばサーバ内の回路基板間の信号の伝送に、本発明のレーザーダイオード駆動装置を用いた光伝送を適用した例である。回路基板１０１において、本発明のレーザーダイオード駆動装置１０３で生成した駆動電流によりレーザーダイオード１０４を駆動し、光信号を発生する。光信号は、光ファイバ等の光伝送路１０５を介して回路基板１０２に伝送される。回路基板１０２において、光信号はフォトダイオード１０６により電気信号に変換され、受信回路１０７で処理される。

図１３に、本発明の実施例７の光伝送システムを示す。
この実施例は、光アクティブケーブルに、本発明のレーザーダイオード駆動装置を用いた光伝送を適用した例である。光アクティブケーブルは、例えばサーバ筐体間の信号の伝送に用いられる。図は、光アクティブケーブルの一端を示している。コネクタ端子１１５から入力したデータ信号に基づき、駆動および受信回路１１１の駆動回路部分で、レーザーダイオード駆動電流を生成し、レーザーダイオード１１２を駆動して光信号を発生する。光信号は、光ファイバ等の光伝送路１１３より他端に伝送される。他方、光伝送路１１３を通して伝送された光信号は、フォトダイオード１１４により電気信号に変換され、駆動および受信回路１１１の受信回路部分で処理され、コネクタ端子１１５より、例えばサーバに伝送される。

１０ レーザーダイオード駆動装置
１１ 入力端子
１２ 前置駆動回路
１３ 駆動電流発生回路
１４ エンファシス発生回路
１５ 信号遅延回路
１６ デューティ比調整回路
１７ 補正電流発生回路
１８ 出力端子
３１ 送信器
３２ レーザーダイオード
３３ 光伝送路
３４ フォトダイオード
３５ 受信器
４１ 駆動回路
４２ 配線
４３ ＬＤ
１０１，１０２ 回路基板
１０３ 駆動回路(ドライバ）
１０４ レーザーダイオード
１０５ 光伝送路
１０６ フォトダイオード
１０７ 受信回路(レシーバ）
１１１ 駆動および受信回路
１１２ レーザーダイオード
１１３ 光伝送路
１１４ フォトダイオード
１１５ コネクタ端子。

Claims (9)

1. 入力信号に基づいてＨＩ期間とＬＯＷ期間とを有する駆動電流を生成する駆動電流発生回路と、
   前記入力信号からエンファシス信号を生成するエンファシス発生回路と、
   前記エンファシス信号に基づいて補正電流を生成する補正電流発生回路とを備え、
   前記駆動電流と前記補正電流を合成してレーザーダイオード駆動信号を生成するレーザーダイオード駆動装置であって、
   前記エンファシス発生回路を、前記入力信号を所定時間遅延する信号遅延回路と、前記遅延した信号のデューティ比を調整するデューティ比調整回路から構成し、レーザーダイオード駆動信号の立ち上がりと立ち下がりとで非対称な補正を行うようにしたレーザーダイオード駆動装置。
2. 請求項１に記載のレーザーダイオード駆動装置において、
   前記デューティ比調整回路を、前記信号遅延回路の出力部に接続した、オフセットを発生する電圧源または電流源で構成したことを特徴とするレーザーダイオード駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザーダイオード駆動装置において、
   前記信号遅延回路は、遅延時間を調整可能としたことを特徴とするレーザーダイオード駆動装置。
4. 請求項１〜３の何れか一つに記載のレーザーダイオード駆動装置において、
   前記デューティ比調整回路は、遅延した信号のデューティ比を調整可能としたことを特徴とするレーザーダイオード駆動装置。
5. 請求項１に記載のレーザーダイオード駆動装置において、
   前記信号遅延回路を差動増幅器で構成し、前記デューティ比調整回路を、前記差動増幅回路の出力部に接続した、オフセットを発生する電流源で構成したことを特徴とするレーザーダイオード駆動装置。
6. 請求項５に記載のレーザーダイオード駆動装置において、
   前記電流源を調整可能とすることにより、遅延した信号のデューティ比を調整可能としたことを特徴とするレーザーダイオード駆動装置。
7. 請求項１〜６に記載のレーザーダイオード駆動装置を情報機器の装置間或いは回路基板間のデータ伝送に用いた光伝送システム。
8. 請求項１〜６に記載のレーザーダイオード駆動装置を光アクティブケーブルのデータ伝送に用いた光伝送システム。
9. 入力信号に基づいてＨＩ期間とＬＯＷ期間とを有する駆動電流を生成する駆動電流発生工程と、
   前記入力信号からエンファシス信号を生成するエンファシス発生工程と、
   前記エンファシス信号に基づいて補正電流を生成する補正電流発生工程と、
   前記駆動電流と前記補正電流を合成してレーザーダイオード駆動信号を生成する合成工程とを備えるレーザーダイオード駆動方法であって、
   前記エンファシス発生工程は、前記入力信号を所定時間遅延する信号遅延工程と、前記遅延した信号のデューティ比を調整するデューティ比調整工程とを有し、レーザーダイオード駆動信号の立ち上がりと立ち下がりとで非対称な補正を行うようにしたレーザーダイオード駆動方法。

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