JP2008135644A - 光送信器 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波の輻射および光波形の劣化を抑制するとともに、広帯域な光送信器を提供する。
【解決手段】光送信器５００において、発光素子８００と、発光素子８００のアノード端子およびカソード端子のそれぞれに対して交流結合コンデンサ７０２、７０１を介して差動変調電流を出力する変調器９００と、発光素子８００のカソード端子とグランドライン（ＧＮＤ）の間に第１の電流源３０１と、発光素子８００のアノード端子と電源ライン（Ｖｃｃ）の間に第２の電流源３０２を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は光送信器に係り、特に、光通信システム用の光送信器に関する。

特許文献１の図１に記載の光送信回路は、レーザダイオード１００と、交流結合コンデンサ１０７、１０８を介して変調電流を供給する変調器１１５と、インダクタであるバイアスッティ１０２、１０１を介してバイアス電流を供給する電流源１０３とにより構成されている。

この光送信回路では、インダクタがレーザダイオードのカソード側端子およびアノード側端子に設けられ、変調電流のような交流信号に対しては高インピーダンスになるように構成されている。インダクタにより電流源、グランドラインおよび電源ラインへの変調電流の漏れが抑制され、変調電流が効率良くレーザダイオードに流れるようになっている。

電流源の具体的な素子としては、バイポーラ型トランジスタまたは電界効果型トランジスタが用いられる。インダクタとしては、実装面積、定格許容電流を考慮して、共に数〜数十マイクロヘンリーのチップインダクタ、チップビーズを用いる場合がある。

特許文献１に記載の光送信回路では、擬似ランダムパターンのような多様な周波数成分を有する変調電流が差動交流信号としてレーザダイオードに与えられる。一方、レーザダイオードのアノード部およびカソード部に接続されるバイアス回路の構成が、それぞれ対称な素子構成となっていなかった。すなわち、アノード部はインダクタを介して低インピーダンスの電源ラインに接続されており、一方のカソード部はインダクタおよび電流源を介して低インピーダンスのグランドライン接続されている。これにより、レーザダイオードのアノード部とカソード部におけるインピーダンスが等しくならない場合が発生し、差動バランスが崩れてしまう場合があった。これを、図１を参照して説明する。

図１は光送信回路およびその等価モデルである。図１（ａ）において、変調器９００を出力変調電圧Ｖｍおよび出力インピーダンスＺｏでモデル化し、レーザダイオード８００、インダクタ２０１、２０２、電流源３０１の等価インピーダンスをそれぞれＺＬＤ、ＺＬ、ＺＣＳとする。これをモデル化すると図１（ｂ）のような等価モデルが得られる。変調電流が差動信号であることから、さらに図１（ｃ）では仮想グランド電位を設け、アノード側およびカソード側について、それぞれの等価モデルを示す。図１（ｃ）のモデルより、Ｖｏａをレーザダイオード８００のアノード端子における電圧、Ｖｏｃをレーザダイオード８００のカソード端子における電圧、ＺＬをインダクタ２０１、２０２の等価インピーダンス、ＺＬＤをレーザダイオード８００の等価インピーダンス、ＺＣＳを電流源３０１の等価インピーダンス、Ｚｏを変調器９００の出力の等価インピーダンス、Ｖｍを変調器９００の出力変調電圧としたとき、アノード部およびカソード部の伝達関数として、（式２）および（式３）がそれぞれ得られる。なお、（式１）は演算を定義するものである。

（式２）に対して、（式３）には電流源の等価インピーダンスＺＣＳを含む項が含まれており、（式２）と（式３）が一致しない。このことからレーザダイオード８００のアノード部とカソード部におけるインピーダンスが等しくならず、差動バランスが崩れる場合があることが明らかである。

図２はアノード部およびカソード部の伝達関数の周波数依存性を説明する図である。図２において、縦軸は伝達利得、横軸は周波数であり、アノード部およびカソード部の伝達特性は、中域周波数範囲においてはほぼ等しい伝達利得を有する。しかし、低域および高域の周波数範囲においては異なる伝達利得となってしまう。低域周波数範囲および高域周波数範囲では、レーザダイオードのカソード端子およびアノード端子において対称な変調電流波形が得られないことから、電磁波ノイズの輻射および光波形の劣化の要因となる虞がある。

特開２００４-１９３４８９号公報

本発明の課題は、レーザダイオードのカソード端子およびアノード端子において対称な変調電流波形が得られるように構成し、電磁波ノイズの輻射および光波形の劣化が少ない光送信器を提供することである。

上記の課題は、発光素子と、発光素子のアノード端子およびカソード端子のそれぞれに対して交流結合コンデンサを介して差動変調電流を出力する変調器と、発光素子のカソード端子とグランドラインとの間に第１の電流源と、発光素子のアノード端子と電源ラインとの間に第２の電流源を設けた光送信器により、解決できる。

本発明により、電磁波輻射および光波形の劣化を抑制するとともに広帯域な光送信器を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い、図面を参照して詳細に説明する。

図３ないし図５を参照して実施例１を説明する。ここで、図３および図４は光送信器の回路図である。図５は電界効果型トランジスタの特性を説明する図である。

図３において、光送信器５００Ａは、レーザダイオード８００と、交流結合コンデンサ７０１、７０２を介して変調電流を供給する変調器９００と、レーザダイオード８００のカソード端子側に備える電流源３０１と、レーザダイオード８００のアノード端子側に備える電流源３０２で構成する。

変調器９００は、変調器の入力に与られえる信号に応じて変調電流を出力し、レーザダイオード８００にてハイレベル／ローレベルの光強度信号を生成する。変調電流に加えて、レーザダイオード８００には、電流源３０１、３０２によりバイアス電流が供給されている。

図３で示した電流源３０１、３０２をより具体化して、電界効果型トランジスタを電流源として光送信器を図４に示す。
図４において、光送信器５００Ｂは、レーザダイオード８００のカソード端子側にＮチャネル電界効果型トランジスタ３１１と、Ｎチャネル電界効果型トランジスタ３１１を電圧制御する電圧源３３１を設ける。さらにレーザダイオード８００のアノード端子側にＰチャネル電界効果型トランジスタ３１２と、Ｐチャネル電界効果型トランジスタ３１２を電圧制御する電圧源３３２を設ける。

図５において、縦軸はドレイン電流、横軸はドレイン−ソース間電流、パラメータとしてゲート電圧であり、電界効果型トランジスタは、飽和領域においてドレイン電流がドレイン-ソース間電圧の変化に対してほとんど変化せず、等価的に大きなインピーダンスを有する。この特性により、グランドラインおよびグランドラインへの変調電流の流出を抑制し、効率良くレーザダイオード８００を駆動できる。

さらに、光送信器５００Ｂは、レーザダイオード８００のカソード端子側およびアノード端子側のそれぞれに電流源３０１、３０２を備える。これにより、カソード端子部のインピーダンスおよびアノード端子部のインピーダンスが同程度となるように構成している。したがって、差動バランスが保たれるので電磁波ノイズの輻射および光波形の劣化を抑制する。

なお、図４では電界効果型トランジスタを適用したが、バイポーラトランジスタも電界効果型トランジスタと同様に高いインピーダンスを有することから、電流源３０１、３０２としてバイポーラトランジスタを適用しても良い。

実施例２について、図６を参照して説明する。ここで、図６は光送信器の回路図である。
図６において、光送信器５００Ｃは、光送信器５００Ｂの電圧源３３２の代わりに第２のＮチャネル電界効果型トランジスタ３１３と第２のＰチャネル電界効果型トランジスタ３１４を設けた構成である。第１のＮチャネル電界効果型トランジスタ３１１および第２のＮチャネル電界効果型トランジスタ３１３は、同じゲート幅を有する素子を用い、互いに同じドレイン電流値が流れるように設定されている。したがって、電圧源３３１によりゲート電圧が印加された場合は、第２のＮチャネル電界効果型トランジスタ３１３には第１のＮチャネル電界効果型トランジスタ３１１と同じドレイン電流値が反映される。第２のＮチャネル電界効果型トランジスタ３１３にて生成されたドレイン電流は、ドレイン端子とゲート端子が接続された第２のＰチャネル電界効果型トランジスタ３１４およびゲート端子を接続した第１のＰチャネル電界効果型トランジスタ３１２に伝達される。このカレントミラー接続構成により、第１のＮチャネル電界効果型トランジスタ３１１およびＰチャネル型電界効果型トランジスタ３１２において、ほぼ等しいドレイン電流値を生成することができ、単一の電圧源３３１でバイアス電流を制御することができる。

なお、上記説明の実施の形態では、Ｎチャネル電界効果型トランジスタ３１１と３１３、もしくはＰチャネル電界効果型トランジスタ３１２と３１４のゲート幅を共に等しいものとしたが、これらのゲート幅の比をＮ対１しても良い。ゲート幅の比をＮ対１とすることにより、Ｎチャネル電界効果型トランジスタ３１１、３１３もしくはＰチャネル電界効果型トランジスタ３１２、３１４に流れるドレイン電流の比をＮ対１とすることができ、カレントミラー回路で使用する電流値を抑制し、低消費電流化を図ることができる。

実施例３を図７ないし図９を参照して説明する。ここで、図７は光送信器の回路図である。図８および図９は差動伝達利得の周波数依存性の特性を説明する図である。

図７において、光送信器５００Ｄは、光送信器５００Ｂのレーザダイオード８００のカソード端子およびアノード端子のそれぞれにインダクタ２０１、２０２をさらに設け、さらに変調速度の高速化を図っている。一般に、ディスクリート部品の電界効果型トランジスタは、数十〜数百ピコファラッドのドレイン端子容量を有する。光送信器５００Ｂのようにインダクタ２０１、２０２を設けない場合は、変調周波数が高くなるにつれて変調電流がドレイン端子容量を介してグランドラインに流出し、レーザダイオード８００に効率良く伝達されない。これに伴って帯域幅が抑制されて、変調速度の高速を狙うことかが困難であった。

これに対して、光送信器５００Ｄは、Ｎチャネル電界効果型トランジスタ３１１およびＰチャネル電界効果型トランジスタのドレイン端子容量に変調電流が流出してしまうことを抑制するために、インダクタ２０１、２０２を備えた構成となっている。

図８は、光送信器５００Ｂと、インダクタ２０１、２０２を設けた光送信器５００Ｄとの差動伝達利得の周波数特性を説明するものである。図８から、インダクタ２０１、２０２を設けることにより、変調速度の高速化が狙えることが明らかである。

さらに図９は、背景技術による光送信器と、光送信器５００Ｄの差動伝達利得の周波数依存性を説明する図である。背景技術による光送信器に比べて、光送信器５００Ｄはより低域まで一定の伝達利得が得られることが明らかである。

インダクタ２０１、２０２のインピーダンスは、周波数が小さくなるにつれて小さくなる特性である。背景技術による光送信器は、レーザダイオードのアノード端子がインダクタ２０２を介して低インピーダンスの電源ラインに接続されているため、周波数が低くなるにつれてインダクタ２０２のインピーダンスが低下し、変調電流の電源ラインへの流出に伴って効率良くレーザダイオードに伝達されなくなってしまう。このため図９において、低域側の伝達利得低下を招いてしまう。

一方、光送信器５００Ｄは、インダクタ２０２に加えてＰチャネル電界効果型トランジスタ３１２で構成した高インピーダンスの電流源を備えていることから、インダクタ２０２のインピーダンスが低下した場合であっても変調電流の電源ラインへの流出が抑制される。このため、光送信器５００Ｄは、背景技術の光送信回路より、低域の周波数まで一定の伝達利得を得ることができる。すなわち、光送信器５００Ｄを適用することにより、レーザダイオード８００のアノード端子およびカソード端子の差動バランスを保ち、広い周波数範囲において一定の伝達利得を狙える。

実施例４について、図１０を用いて説明する。ここで、図１０は光送信器の回路図である。
図１０において、光送信器５００Ｅは、光送信器５００Ｄの電圧源３３２の代わりに第２のＮチャネル電界効果型トランジスタ３１３と第２のＰチャネル電界効果型トランジスタ３１４を設けた構成である。光送信器５００Ｄの特徴である差動回路の対称性、広帯域化を狙えるとともに、単一の電圧源３３１でＰチャネル電界効果型トランジスタ３１２およびＮチャネル電界効果型トランジスタ３１１から構成する２つの電流源を制御できる。
上述した実施例のいずれかに拠れば、電磁波輻射および光波形の劣化を抑制するとともに広帯域な光送信器を提供できる。

光送信回路およびその等価モデルである。 アノード部およびカソード部の伝達関数の周波数依存性を説明する図である。 実施例１の光送信器の回路図である。 実施例１の他の光送信器の回路図である。 電界効果型トランジスタの特性を説明する図である。 実施例２の光送信器の回路図である。 実施例３の光送信器の回路図である。 差動伝達利得の周波数依存性の特性を説明する図（その１）である。 差動伝達利得の周波数依存性の特性を説明する図（その２）である。 実施例３の光送信器の回路図である。

符号の説明

２０１…インダクタ、２０２…インダクタ、３０１…電流源、３０２…電流源、３３１…電圧源、３３２…電圧源、３１１…Ｎチャネル電界効果型トランジスタ、３１２…Ｐチャネル電界効果型トランジスタ、３１３…Ｎチャネル電界効果型トランジスタ、３１４…Ｐチャネル電界効果型トランジスタ、５００…光送信器、７０１…交流結合コンデンサ、７０２…交流結合コンデンサ、８００…レーザダイオード、９００…変調器。

Claims (8)

1. 発光素子と、該発光素子のアノード端子およびカソード端子のそれぞれに対して交流結合コンデンサを介して差動変調電流を出力する変調器と、前記発光素子のカソード端子とグランドラインとの間に第１の電流源と、前記発光素子のアノード端子と電源ラインとの間に第２の電流源とからなることを特徴とする光送信器。
2. 請求項１に記載の光送信器であって、
   前記第１の電流源として第１のＮＰＮ型バイポーラトランジスタを用い、前記第２の電流源として第１のＰＮＰ型バイポーラトランジスタを用いたことを特徴とする光送信器。
3. 請求項１に記載の光送信器であって、
   前記第１の電流源としては第１のＮチャネル電界効果型トランジスタを用い、前記第２の電流源としては第１のＰチャネル電界効果型トランジスタを用いたことを特徴とする光送信器。
4. 請求項２に記載の光送信器であって、
   前記第１のＮＰＮ型バイポーラトランジスタに流れるコレクタ電流に比例したコレクタ電流を生成する第２のＮＰＮ型バイポーラトランジスタと、第２のＮＰＮ型バイポーラトランジスタのコレクタ電流により前記第１のＰＮＰ型バイポーラトランジスタのベース電圧を制御する第２のＰＮＰ型バイポーラトランジスタを備え、
   前記第１のＮＰＮ型バイポーラトランジスタと前記第１のＰＮＰ型バイポーラトランジスタに流れるコレクタ電流が等しい、または比例させたことを特徴とする光送信器。
5. 請求項３に記載の光送信器であって、
   前記第１のＮチャネル電界効果型トランジスタに流れるドレイン電流に比例したドレイン電流を生成する第２のＮチャネル電界効果型トランジスタと、前記第２のＮチャネル電界効果型トランジスタのドレイン電流により前記第１のＰチャネル電界効果型トランジスタのゲート電圧を制御する第２のＰチャネル電界効果型トランジスタを備え、
   前記第１のＮチャネル電界効果型トランジスタと前記第１のＰチャネル電界効果型トランジスタに流れるコレクタ電流が等しい、または比例させたことを特徴とする光送信器。
6. 請求項１に記載の光送信器であって、
   前記カソード端子と前記第１の電流源とを接続する第１のインダクタと、前記アノード端子と前記第２の電流源とを接続する第２のインダクタとを備えたことを特徴とする光送信器。
7. 請求項２または請求項４に記載の光送信器であって、
   前記カソード端子と前記第１のＮＰＮ型バイポーラトランジスタとを接続する第１のインダクタと、前記アノード端子と前記第１のＰＮＰ型バイポーラトランジスタとを接続する第２のインダクタとを備えたことを特徴とする光送信器。
8. 請求項３または請求項５に記載の光送信器であって、
   前記カソード端子と前記第１のＮチャネル電界効果型トランジスタとを接続する第１のインダクタと、前記アノード端子と前記第１のＰチャネル電界効果型トランジスタとを接続する第２のインダクタとを備えたことを特徴とする光送信器。

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