JP5489180B2

JP5489180B2 - 発光コンポーネントを制御するための回路構造と方法

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Publication number: JP5489180B2
Application number: JP2011510004A
Authority: JP
Inventors: グレープル，マルティン; ヘルトケ，ホルガー
Original assignee: シリコン・ライン・ゲー・エム・ベー・ハー
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: JP2011521578A; WO2009141449A3; WO2009141449A2; US8525435B2; EP2294729B1; EP2294729A2; US20110121742A1

Description

本発明は、基本的に、少なくとも１つの発光コンポーネントから少なくとも1つの受光コンポーネントへの光データ伝送の技術分野に関する。

本発明は、詳しくは、請求項１の前提部による回路構造、特にドライバ回路と、請求項９の前提部による方法と、に関する。

本発明の範囲内において、光又は発光という語句は、目に見える電磁波範囲としてのみならず、約３８０ナノメートルから約７８０ナノメートルの波長範囲(約７８９テラヘルツから約３８５テラヘルツまでの周波数に対応する)にまで拡張されるものと理解される。

むしろ、光又は発光という語句は、目に見えないスペクトル、特に赤外線(約２０００ナノメートルを上限とする波長範囲、又は、約１５０テラヘルツを下限とする周波数範囲) たとえば、約８５０ナノメートルの波長又は約３５０テラヘルツの波長、を含む全電磁波波長又は周波数範囲、として理解される。

光通信工学における典型的な変調方法は、図１に模式的に示されるＮＲＺ変調方法(NRZ : Non Return to Zero)である。その状態 (論理“０”に対応するレベル０と、論理“１”に対応するレベル１) に応じて、伝送されるビットが電流変化(又は電圧変化)として発光コンポーネントＬＥ(図２参照)に直接供給される。

前記発光コンポーネントＬＥを制御するために、ドライバ回路として実施され、図２に模式的に示される回路構成が提供される。この回路構成には、当該回路構成に電圧を供給する電圧源として構成される供給素子ＶＥを含む。

前記供給素子ＶＥと前記発光コンポーネントＬＥとの間には、電流制限素子ＳＢが設けられ、それによって、電流値Ｉ_１が提供される。

前記電流制限素子ＳＢと前記発光コンポーネントＬＥとの間には、スイッチング素子ＳＷが設けられ、スイッチングコントローラＵＳによって前記発光コンポーネントＬＥを制御する。前記スイッチングコントローラＵＳの出力信号Ａが前記スイッチング素子ＳＷを制御する。

図３に模式的に示されているように、前記ＮＲＺ変調発光コンポーネントＬＥの平均電力Ｐ_ｅｌは、当該発光コンポーネントＬＥを介するフラックス電圧Ｕ_Ｌと、発光コンポーネントＬＥを通って流れる平均電流Ｉ_ａｖとの積によって与えられる。

前記発光コンポーネントＬＥからの平均光出力Ｐ_{ｏｐｔ_ａｖ}は、前記発光コンポーネントＬＥの変換効率ηと、提供される平均電流Ｉ_ａｖとの積、即ち、Ｐ_{ｏｐｔ_ａｖ}＝η・Ｉ_ａｖによって与えられる。

公称変換効率ηに達する前にある種の閾値電流Ｉ_ｔｈを有する発光コンポーネントＬＥ、特に半導体レーザにおいて、前記閾値電流Ｉ_ｔｈは、常に、例えば、別の電流制限素子ＳＢ’(図６を参照、図６の残りに関しては、図２が参照され、ここで、参照符号ＳＷ’はスイッチング素子又はスイッチを表している)によって提供される。

前記閾値電流Ｉ_ｔｈを提供する必要性から、ＮＲＺ変調発光コンポーネントＬＥの平均電力Ｐ_ｅｌは、図５に示されているように上昇する。

この背景から、前記閾値電流を提供する必要性を無くすことが望ましいと思われる。

上記において概説した背景となる技術の欠点及び不適切性から出発して、本発明の課題は、冒記したタイプの回路構成と、冒記したタイプの方法を、その性能効率が背景となる技術と比較して大幅に増大されるように更に発展させることにある。

この課題は、請求項１に開示される特徴構成を備える回路構成と請求項９に記載の特徴構成を備える方法とによって達成される。本発明の有利な実施例及び好適な発展構成は、各従属請求項に特徴付けられている。

他方、従来の技術によれば、閾値電流が加えられる発光コンポーネントに、論理“１”中、常時、電流が提供されるのに対して、本発明によれば、論理“１”は、ゼロ値と、閾値電流が加えられる発光コンポーネントに供給される最大電流との間の周期的スイッチングとして表される。

好適には、前記発光コンポーネントを通る平均電流は以下に依存するものとなる。
−電流の選択された最大値。
−所謂デューティサイクル、即ち、電流のゼロ値に対する電流の最大値の時間比率。

本発明は、最後に、上述したタイプの少なくとも１つの回路構成及び／又は上述したタイプの方法の利用であって、以下に列挙するものにおけるデータ伝送を目的とする少なくとも１つの光信号、特に、少なくとも１つの光伝導体への供給のための利用に関する。即ち、例えば、
−少なくとも１つの携帯電話を含む、少なくとも１つの、特にモバイル式の通信装置、
−少なくとも１つのハンドヘルド、少なくとも１つのノートブック、又は、少なくとも１つのＰＤＡ（Personal Digital Assistant：携帯情報端末）を含む、少なくとも１つの、特にモバイル式のデータ処理装置、
−少なくとも１つのカムコーダ、少なくとも１つのデジタルカメラ、又は少なくとも１つのＨＤＴＶ（High Definition TeleVision:ハイビジョンテレビ）を含む、少なくとも１つの、特にモバイル式のデータ記録および／又は再生装置、又は、
−自動車における、少なくとも１つの運転者支援システム又は少なくとも１つのナビゲーションシステムを含む、少なくとも１つの輸送手段、における利用に関する。

既に述べたように、本発明の教示を有利な状態で実施し更に発展させるための種々の可能性が存在する。この目的のために、一方においては、請求項１に従属する請求項が参照され、他方においては、本発明のその他の実施例、特徴構成、及び利点、特に図７〜図８Ｂに図示されている二つの実施例が参照される。

図１には、光通信工学における典型的な従来の変調方法としての非ゼロ復帰コード（ＮＲＺコード）の略図が図示されている。図２には、光学的光導体へ光を供給するための従来の技術の回路構成の第１実施例の略図が図示され、ここで、当該回路構成は、発光コンポーネントの従来の原理のＮＲＺ変調に基づいて作動される。図３には、同数の論理“１”と“０”とを有するＮＲＺ変調発光コンポーネントを通る平均電流の略図が図示されている。図４には、閾値電流が加えられる発光コンポーネントの、供給電流と光出力との間の相関関係の略図が図示されている。図５には、閾値電流が加えられる発光コンポーネントを通る、同数の論理“１”と“０”とを有する平均電流の略図が図示されている。図６には、光学的光導体へ光を供給するための従来の技術の回路構成の第２実施例の略図が図示され、ここで、当該回路構成は、閾値電流が加えられる発光コンポーネントの従来の原理のＮＲＺ変調に基づいて作動される。図７には、本発明の方法に基づいて行われる、論理“１”中の、電流のゼロ値と電流の最大値との間の周期的スイッチング・オンの略図が図示されている。図８Ａには、光学的光導体(明瞭性のために図示せず)へ光を供給するための本発明による回路構成の第１実施例の略図が図示され、ここで、当該回路構成は、本発明の方法に基づいて作動される。図８Ｂには、光学的光導体(明瞭性のために図示せず)へ光を供給するための本発明による回路構成の第２実施例の略図が図示され、ここで、当該回路構成は、本発明の方法に基づいて作動される。

図１〜図８Ｂにおいて同じ又は類似の実施例、要素及び特徴構成には同じ参照番号が付与されている。

図８Ａ及び８Ｂには、従来の技術（図２及び図６を参照）と比較して大幅に高い性能効率によって特徴付けられ、本発明を適用可能な１つの技術的実施例が図示されている。

ドライバ回路として実施される、当該回路構成１００（図８Ａを参照）又は１００’（図８Ｂを参照）が、閾値電流Ｉ_ｔｈが加えられる発光コンポーネント５０を制御するために、特に、例えば、半導体レーザなどの電子光トランスデューサーを制御するために設けられる。これは当該回路構成１００（図８Ａを参照）又は１００’（図８Ｂを参照）に電圧を供給するための電圧源として構成される供給素子１０を含む。

供給素子１０と発光コンポーネント５０との間には、電流制限素子２０が配設され、それによって、電流の最大値Ｉ_ｍａｘが与えられる。

電流制限素子２０は、例えば以下の形態で実施可能である。即ち、
−電流源として接続された少なくとも１つのトランジスタ、又は
−少なくとも１つのオーム抵抗器、
である。更に、電流制限素子２０は、以下のような複合機能による形態も採り得る。即ち、抵抗性又は抵抗器動作の機能を持つだけでなく電流源動作（定電流源動作）の機能を持ち、複合機能を持った少なくとも１つのトランジスタのような形態も採り得る。

例えば出力側において、コンデンサ２２により構成された容量性サポート（容量成分による支え、容量成分による電気的な支え、容量成分による電気的な維持手段）を電流制限素子２０に対して割り当てる場合、最大電流Ｉ_ｍａｘは、少なくとも近似的に中間又は平均電流Ｉ_ａｖに対応したものとなる。この点に関して、Ｉ_ｍａｘとＩ_ａｖとの間の実施例又は別実施例も可能である。

電流制限素子２０と発光コンポーネント５０との間には、スイッチングコントローラ４０によって発光コンポーネント５０を制御するために、スイッチング素子３０が設けられている。

スイッチングコントローラ４０は、例えば、論理積（ＡＮＤ）回路４０等のゲート回路として好適に実施される。ここで、
−論理積回路４０の一方の入力には、発光コンポーネント５０によって伝送されるデータＤが供給され、
−論理積回路４０の他方の入力には、発振器４２によって提供される発振器信号Ｓが供給され、これら発振器信号Ｓは、いわゆるデューティサイクル、即ち、電流Ｉの最大値Ｉ_ｍａｘと電流Ｉのゼロ値（Ｉ＝０）との間の時間関係を規定し、そして、
−論理積回路４０の出力信号Ａがスイッチング素子３０を制御する。

データの受け取り側において可能な限り高い信号品質（シグナル・インテグリティ）を達成するために、データ信号Ｄの論理“１”を、発振器信号Ｓによって規定されるスパイク・パルスと同期させることができる。

同じく図７に示す模式図から明らかなように、論理“１”は、閾値電流が加えられる発光コンポーネント５０に対して供給される電流Ｉのゼロ値と電流Ｉの最大値Ｉ_ｍａｘとの間の周期的スイッチングとして表される。

これにより、発光コンポーネント５０を通る平均電流Ｉ_ａｖは以下に依存するものとなる。即ち、
−電流の最大値Ｉ_ｍａｘ、そして、
−所謂デューティサイクル、即ち、電流Ｉのゼロ値（Ｉ＝０）の時間長ｔ_０（図７を参照）に対する電流Ｉの最大値Ｉ_ｍａｘの時間長ｔ_ｍａｘ（図７を参照）の比率、
に依存するものとなる。

前記時間比は、例えば、約１〜３、特に１〜９以下とすることができ、このことは、電流Ｉのゼロ値（Ｉ＝０）の時間間隔、特に、電流Ｉのゼロ値（Ｉ＝０）の時間間隔を、電流Ｉの最大値Ｉ_ｍａｘの時間間隔の約３倍以上、特に、前記電流Ｉのゼロ値（Ｉ＝０）の時間間隔を、電流Ｉの最大値Ｉ_ｍａｘの時間間隔の約９倍以上にすることができる、ということを意味する。

１００：回路構成、特に、ドライバ回路（＝第１実施例、図８Ａを参照）
１００’：回路構成、特に、ドライバ回路（＝第２実施例、図８Ｂを参照）
１０：供給素子、特に、電圧源
２０：電流制限素子
２２：電流制限素子の容量性サポート、特に、出力側での電流制限素子２０の容量性サポート、例えば、電流制限素子に割り当てられたコンデンサ（＝第２実施例、図８Ｂを参照)
３０：スイッチング素子、特にスイッチ
４０：スイッチングコントローラ、例えば、論理積（ＡＮＤ）回路
４２：発振器又は発振器ユニット
５０：閾値電流Ｉ_ｔｈが加えられる発光コンポーネント、特に、半導体レーザなどのレーザ等の電気光トランスデューサー
Ａ：スイッチングコントローラ４０又はスイッチングコントローラＵＳ（＝背景技術、図２及び図６を参照）の出力信号
Ｄ：発光コンポーネント５０によって伝送されるデータ（信号）
ＧＮＤ：参照電位、特に、グランド電位又はゼロ電位
Ｉ：発光コンポーネント５０又は発光コンポーネントＬＥ又はＬＥ’（＝背景技術、図２又は図６を参照）に供給される電流
Ｉ_ａｖ：中間電流又は平均電流
Ｉ_ｍａｘ：電流Ｉの最大値
Ｉ_ｔｈ：発光コンポーネント５０又は発光コンポーネントＬＥ’（＝背景技術、図６を参照）の閾値電流
Ｉ_０：論理“０”に対応する電流Ｉ
Ｉ_１：論理“１”に対応する電流Ｉ
ＬＥ：発光コンポーネント（＝背景技術、図２を参照）
ＬＥ’：閾値電流Ｉ_ｔｈが加えられる発光コンポーネント、特に半導体レーザなどのレーザなどの電子光トランスデューサー（＝背景技術、図６を参照）
Ｐ_ｏｐｔ：発光コンポーネント５０又は発光コンポーネントＬＥ’（＝背景技術、図２を参照）の光出力
Ｐ_{ｏｐｔ_ａｖ}：発光コンポーネント５０又は発光コンポーネントＬＥ’（＝背景技術、図２を参照）の平均光出力
Ｓ：発振器又は発振器ユニット４２の信号
ＳＢ：電流制限素子、特に、第１電流制限素子（＝背景技術、図２及び図６を参照）
ＳＢ’：閾値電流Ｉ_ｔｈを与える電流制限素子、別の又は第２の電流制限素子（＝背景技術、図６を参照）
ＳＷ：スイッチング素子又はスイッチ（＝背景技術、図２を参照）
ＳＷ’：スイッチング素子又はスイッチ（＝背景技術、図６を参照）
ｔ：時間
ｔ_ｍａｘ：電流Ｉの最大値Ｉ_ｍａｘの最大値の時間長
ｔ_０：電流Ｉのゼロ値の時間長ｔ＝０
Ｕ_Ｌ：発光コンポーネント５０又は発光コンポーネントＬＥ又はＬＥ’（＝背景技術、図２又は図６を参照）の平均光出力を介するフラックス電圧
ＵＢ：スイッチングコントローラ（＝背景技術、図２又は図６を参照）
ＶＥ：供給素子、特に、電圧源（＝背景技術、図２又は図６を参照）
η：前記発光コンポーネント５０又は発光コンポーネントＬＥ又はＬＥ’（＝背景技術、図２又は図６を参照）の、変換効率、特に、公称変換効率

Claims

閾値電流（Ｉ_th）が与えられる少なくとも１つの発光コンポーネント（５０）、特に、半導体レーザを含む少なくとも１つのレーザを含む少なくとも１つの電気光学トランスデューサーを制御するための、特にドライバー回路を含む回路構成（１００；１００’）であり、
当該回路構成（１００；１００’）は、
当該回路構成（１００；１００’）に電圧を供給するための、少なくとも１つの供給素子（１０）、特に少なくとも１つの電圧源と、
前記供給素子（１０）と前記発光コンポーネント（５０）との間に配設されている少なくとも１つの電流制限素子（２０）と、
前記電流制限素子（２０）と前記発光コンポーネント（５０）との間に配設され、少なくとも１つのスイッチングコントローラ（４０）によって前記発光コンポーネント（５０）を制御するための少なくとも１つのスイッチング素子（３０）と、を含むものであって、
前記電流制限素子（２０）によって前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）が付与可能であり、
前記発光コンポーネント（５０）によって伝送されるデータ（Ｄ）の論理“１”が、前記電流（Ｉ）のゼロ値（Ｉ＝０）と前記発光コンポーネント（５０）に供給される前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）との間の周期的スイッチングによって表され、
前記電流制限素子（２０）は、電流源として接続される少なくとも１つのトランジスタとして実施される、
ことを特徴とする回路構成。
請求項１の回路構成であって、前記発光コンポーネント（５０）を通って流れる平均電流（Ｉ_av）が、
前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）、及び
前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）の時間長（ｔ_max）の前記電流（Ｉ）のゼロ値（Ｉ＝０）の時間長（ｔ₀）に対する比率、とによって与えられる回路構成。
請求項１又は２の回路構成（１００’）であって、前記電流制限素子（２０）は、特に出力側において、少なくとも１つのデカップリングコンデンサ（２２）によってサポートされる回路構成。
請求項３の回路構成であって、前記少なくとも１つのデカップリングコンデンサ（２２）が、前記電流制御素子（２０）の容量性サポート（２２）である場合、前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）は、実質的に平均電流（Ｉ_av）によって与えられる回路構成。
請求項１〜４の何れか一項の回路構成であって、前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）の時間長（ｔ_max）の前記電流（Ｉ）のゼロ値（Ｉ＝０）の時間長（ｔ₀）に対する比率は、略１〜３以下、特に略１〜９以下である回路構成。
請求項１〜５の何れか一項の回路構成であって、前記スイッチングコントローラ（４０）は、少なくとも１つのゲート回路を含み、ここで、
前記データ（Ｄ）が、前記ゲート回路の一方の入力に供給可能であり、
前記ゲート回路の他方の入力には発振器信号（Ｓ）が供給可能であり、前記発振器信号（Ｓ）は、少なくとも１つの発振器ユニットによって供給可能であり、特に、前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）の時間長（ｔ_max）の前記電流（Ｉ）のゼロ値（Ｉ＝０）の時間長（ｔ₀）に対する比率を規定し、そして
前記ゲート回路の出力信号（Ａ）が前記スイッチング素子（３０）を制御する回路構成。
請求項６の回路構成であって、前記ゲート回路（４０）は、少なくとも１つの論理積回路として実施される回路構成。
閾値電流（Ｉ_th）が与えられる少なくとも１つの発光コンポーネント（５０）、特に、半導体レーザを含む少なくとも１つのレーザを含む少なくとも１つの電気光学トランスデューサーを制御するための方法であり、
電圧を供給する少なくとも１つの供給素子（１０）、特に少なくとも１つの電圧源を持つ回路構成（１００；１００’）と、
少なくとも１つの電流制限素子（２０）と少なくとも１つのスイッチングコントローラ（４０）を使用する前記発光コンポーネント（５０）との間に位置する少なくとも１つのスイッチング素子（３０）によって制御される当該発光コンポーネントと、を伴う当該方法であって、
前記電流制限素子（２０）によって前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）が与えられ、そして
前記発光コンポーネント（５０）によって伝送されるデータの論理“１”が、前記電流（Ｉ）のゼロ値（Ｉ＝０）と前記発光コンポーネント（５０）に供給される前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）との間の周期的スイッチングによって表され、
前記電流制限素子（２０）は、電流源として接続される少なくとも１つのトランジスタとして実施される、ことを特徴とする方法。
請求項８の方法であって、前記発光コンポーネント（５０）を通って流れる平均電流（Ｉ_av）が、
前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）、及び、
前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）の時間長（ｔ_max）の前記電流（Ｉ）のゼロ値（Ｉ＝０）の時間長（ｔ₀）に対する比率、とによって与えられる方法。
請求項９の方法であって、前記電流制御素子（２０）の容量性サポート（２２）が、特に、前記電流制限素子（２０）の出力側に備えられる場合、前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）は、実質的に平均電流（Ｉ_av）によって与えられる方法。
請求項８〜１０の何れか一項の方法であって、前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）の時間長（ｔ_max）の前記電流（Ｉ）のゼロ値（Ｉ＝０）の時間長（ｔ₀）に対する比率は、略１〜３以下、特に略１〜９以下である方法。
請求項８〜１１の何れか一項の方法であって、
前記スイッチングコントローラ（４０）は、少なくとも１つのゲート回路、特に少なくとも１つの論理積回路により構成され、当該スイッチングコントローラ（４０）の一方の入力にはデータ（Ｄ）が入力され、
前記ゲート回路の他方の入力には発振器信号（Ｓ）が入力され、前記発振器信号（Ｓ）は、少なくとも１つの発振器ユニットによって供給可能であり、特に、前記電流（Ｉ）の最大値（Ｉ_max）の時間長（ｔ_max）の前記電流（Ｉ）のゼロ値（Ｉ＝０）の時間長（ｔ₀）に対する比率を規定し、そして
前記ゲート回路の出力信号（Ａ）が前記スイッチング素子（３０）を制御する方法。