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JP2010267799A - 直流結合レーザー駆動回路 - Google Patents

直流結合レーザー駆動回路 Download PDF

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Hiroshi Koizumi
弘 小泉
Minoru Togashi
稔 富樫
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

【課題】マッチング抵抗の値を大きくすることなくレーザー素子LDでの電圧ドロップによる出力不整合を補償し、変調振幅を大きくするとともにレーザー電流のアイパタンを改善する回路を提供する。
【解決手段】データに応じた差動信号LDP,LDNを生成し、該差動信号LDP,LDNを第1のマッチング抵抗および第2のマッチング抵抗を介してレーザー素子のアノードおよびカソードに直流結合し、レーザー素子の発光強度を変調する直流結合レーザー駆動回路において、第2のマッチング抵抗の一端をプルアップ抵抗を介して、レーザー素子の電源電位以上かつ差動信号LDNの平均電位より高いプルアップ電源電位に接続し、差動信号LDNの電位を差動信号LDPの電位またはその近傍に引き上げる構成である。
【選択図】図1

Description

本発明は、レーザー素子LDを直流結合(DC結合)によって駆動する直流結合レーザー駆動回路に関する。なお、レーザー素子には、TOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly)やBOSA(Bidirectional Optical Sub-Assembly)などの光学モジュールを含む。
図9は、従来の直流結合レーザー駆動回路の構成例を示す。ここでは、レーザー素子LDと直流結合される直流結合レーザー駆動回路の構成を模式的に示す。
図において、直流結合レーザー駆動回路は、変調回路10、バイアス回路20、自動出力制御回路(APC回路)30およびマッチング抵抗RMP,RMNにより構成される。バイアス回路20は、レーザー素子LDにバイアス電流を与える。変調回路10は、ゲート回路11、プリバッファ回路12、エミッタフォロワ(レベル変換)回路13、出力バッファ回路14を縦属に接続した構成であり、出力バッファ回路14の差動信号出力LDP,LDNがマッチング抵抗RMP,RMNを介してレーザー素子LDのアノードおよびカソードに接続され、変調回路10に入力するデータに応じてレーザー素子LDの発光強度を変調する。また、変調回路10のゲート回路11、バイアス回路20およびAPC回路30は、バースト制御信号TXENによってオンオフし、レーザー素子LDの発光と消光を制御する。さらに、APC回路30の出力VCSMは変調回路10の差動信号出力LDP,LDNの変調電流を制御し、APC回路30の出力VCSBはバイアス回路20のバイアス電流を調整し、レーザー素子LDの発光強度を安定化させる。なお、直流結合レーザー駆動回路とレーザー素子LDを含めて光送信器が構成される。
ここで、直流結合は、レーザー素子LDの発光と消光の切り替えを高速に制御できるため、PON(Passive Optical Network) 通信システムにおいて断続的なデータ送信が必要な光送信器に適している。
図10は、出力バッファ回路14とレーザー素子LDの直流結合を示す。
図において、出力バッファ回路14の差動増幅トランジスタQ1,Q2のコレクタと負荷抵抗R1,R2との間から取り出される差動信号出力LDP,LDNは、マッチング抵抗RMP,RMNを介してレーザー素子LDのアノードおよびカソードに接続される。これは、変調回路10の出力インピーダンスとレーザー素子LDのインピーダンスの整合を図るためであるが、DC結合ではAC結合に比べて多くの不整合成分を伴うため、慎重な設計が必要である。例えば、DC結合ではレーザー素子LDの電圧ドロップVf がそのまま変調回路10の出力端子電位に影響を与える。ここで、レーザー素子LDの電源電位をVCCLD、出力バッファ回路14の電源電位をVCCDRV とする。
アノード側出力端子電圧Vldp は、変調電流をImod とすると、
Vldp =VCCLD−Imod ×RMP …(1)
であり、カソード側出力端子電圧Vldn は、
Vldn =VCCLD−Imod ×RMN−Vf …(2)
となる。
これは、差動信号出力LDP,LDNが異なる電位で動作することを意味し、とりわけLDNでは大電流駆動において電位が低下し、変調回路10のヘッドルーム不足を招き、変調波形の劣化をもたらすことになる。そこで、マッチング抵抗RMP,RMNの値を同一にせず、RMP>RMNとなる関係で抵抗値を設計することが行われてきた(例えば非特許文献1)。
マキシム・ジャパン株式会社アプリケーションノート HFAN-02.6.0「低速(<622Mbps)光トランスミッタのノイズとワンダの低減」
従来の直流結合レーザー駆動回路では、マッチング抵抗の非対称化により、変調回路10の差動信号出力LDP,LDNの電位差を縮小し、レーザー素子LDでの電圧ドロップによって引き起こされる出力不整合を補償することができる。ただし、マッチング抵抗による効果は(RMP−RMN)の範囲に限定されてしまう。すなわち、マッチング抵抗の非対称化による効果を大きくするためには(RMP−RMN)を大きくする必要があるが、RMNをゼロ以下にできないためにRMPを大きくせざるをえない。
一方、マッチング抵抗RMP,RMNは、どちらも変調回路10とレーザー素子LDとの接続部に直流挿入される抵抗であるから、この値を大きくすることは、駆動パワーのロスをもたらし、変調振幅が小さくなってしまうことを意味する。
本発明は、マッチング抵抗の値を大きくすることなくレーザー素子LDでの電圧ドロップによる出力不整合を補償し、変調振幅を大きくするとともにレーザー電流のアイパタンを改善することができる直流結合レーザー駆動回路を提供することを目的とする。
第1の発明は、データに応じた差動信号LDP,LDNを生成し、該差動信号LDP,LDNを第1のマッチング抵抗および第2のマッチング抵抗を介してレーザー素子のアノードおよびカソードに直流結合し、レーザー素子の発光強度を変調する直流結合レーザー駆動回路において、第2のマッチング抵抗の一端をプルアップ抵抗を介して、レーザー素子の電源電位以上かつ差動信号LDNの平均電位より高いプルアップ電源電位に接続し、差動信号LDNの電位を差動信号LDPの電位またはその近傍に引き上げる構成である。
第2の発明は、データに応じた差動信号LDP,LDNを生成し、該差動信号LDP,LDNを第1のマッチング抵抗および第2のマッチング抵抗を介してレーザー素子のアノードおよびカソードに直流結合し、レーザー素子の発光強度を変調する直流結合レーザー駆動回路において、第1のマッチング抵抗の一端をプルダウン抵抗を介して、差動信号LDNの平均電位より低いプルダウン電源電位に接続し、差動信号LDPの電位を差動信号LDNの電位またはその近傍に引き下げる構成である。
第3の発明は、データに応じた差動信号LDP,LDNを生成し、該差動信号LDP,LDNを第1のマッチング抵抗および第2のマッチング抵抗を介してレーザー素子のアノードおよびカソードに直流結合し、レーザー素子の発光強度を変調する直流結合レーザー駆動回路において、第2のマッチング抵抗の一端をプルアップ抵抗を介して、レーザー素子の電源電位以上かつ差動信号LDNの平均電位より高いプルアップ電源電位に接続し、第1のマッチング抵抗の一端をプルダウン抵抗を介して、差動信号LDNの平均電位より低いプルダウン電源電位に接続し、差動信号LDNの電位を引き上げ、差動信号LDPの電位を引き下げ、両者を近接させる構成である。
第1〜第3の発明の直流結合レーザー駆動回路において、第2のマッチング抵抗の値が第1のマッチング抵抗の値より小さいものとする。
第1の発明の直流結合レーザー駆動回路において、プルアップ抵抗と並列に、抵抗素子と容量素子の直列回路を接続した構成である。第2の直流結合レーザー駆動回路において、プルダウン抵抗と並列に、抵抗素子と容量素子の直列回路を接続した構成である。第3の発明の直流結合レーザー駆動回路において、プルアップ抵抗と並列に、またはプルダウン抵抗と並列に、またはプルアップ抵抗およびプルダウン抵抗とそれぞれ並列に、抵抗素子と容量素子の直列回路を接続した構成である。
本発明の直流結合レーザー駆動回路では、直流結合に伴う差動信号LDP,LDNの動作電圧不整合に対して、プルアップ抵抗またはプルダウン抵抗を介して差動信号LDP,LDNの電位をプルアップまたはプルダウンにより補正することができる。これにより、マッチング抵抗の値を大きくすることなくレーザー素子LDでの電圧ドロップによる出力不整合を補償し、変調振幅を大きくするとともにレーザー電流のアイパタンを改善することができる。
本発明の実施例1の構成例を示す図である。 実施例1におけるレーザー電流のアイパタンのシミュレーション結果を示す図である。 実施例1における差動信号出力LDP、LDNの電圧波形のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例2の構成例を示す図である。 実施例2におけるレーザー電流のアイパタンのシミュレーション結果を示す図である。 実施例2における差動信号出力LDP、LDNの電圧波形のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例3の構成例を示す図である。 本発明の実施例4の構成例を示す図である。 従来の直流結合レーザー駆動回路の構成例を示す図である。 出力バッファ回路14とレーザー素子LDの直流結合を示す図である。
図1は、本発明の直流結合レーザー駆動回路の実施例1の構成例を示す。ここでは、変調回路10の出力バッファ回路14とレーザー素子LDのDC結合部分の構成を抽出して示す。
図において、出力バッファ回路14の差動増幅トランジスタQ1,Q2のコレクタと負荷抵抗R1,R2との間から取り出される差動信号出力LDP,LDNは、マッチング抵抗RMP,RMNを介してレーザー素子LDのアノードおよびカソードに接続される。マッチング抵抗RMP,RMNの抵抗値は、RMP=RMNまたはRMP>RMNである。
なお、出力バッファ回路14の構成は一例であり、図1のトランジスタ回路構成に限定されるものではない。また、ここでは簡単のために差動信号出力LDP,LDNとレーザー素子LDがマッチング抵抗RMP,RMNのみで結合されているが、実際には、ICとパッケージ間のボンディングワイヤや、パッケージのピン、基板線路、TOSAなど光モジュールを構成するピン、フレキシブルプリント基板、レーザー素子マウント基板の線路、レーザー素子のボンディングワイヤなど、付随する構成要素が挿入される。
本実施例の特徴は、変調回路10の差動信号出力LDNをプルアップ抵抗RPUNを介してレーザー素子LDの電源電位VCCLDに接続し、レーザー素子LDの電圧ドロップVf の影響で低下したLDN電位を強制的に引き上げるところにある。なお、プルアップ電源電位は、必ずしもレーザー素子LDの電源電位VCCLDである必要はなく、変調回路10の差動信号出力LDNの平均電位より高ければよい。ただし、プルアップ電源電位をレーザー素子LDの電源電位VCCLDよりも低く設定することはできない。その理由は、バースト送信において、送信禁止時間帯にレーザー素子LDの発光は許されず、消光している必要があるためである。すなわち、プルアップ電源電位をVCCLDよりも低く設定すると、プルアップ抵抗RPUNを介して電流パスが形成され、消光時においてもレーザー素子LDに電流が流れて完全に消光できない恐れがある。したがって、プルアップ電源電位は、レーザー素子LDの電源電位VCCLD以上かつ差動信号出力LDNの平均電位より高い電位とする必要がある。
プルアップ抵抗RPUNの値は、変調回路の駆動力や接続されるレーザー素子LDの特性に合せて最適化される。抵抗値が大きすぎるとプルアップの効果が小さく、抵抗値が小さすぎると出力パワーがプルアップ抵抗RPUNを介して流出してしまい、変調振幅が小さくなる恐れがある。通常、10Ω〜 200Ω程度が有効である。
変調回路10の電源電位VCCDRV は、レーザー素子LDの電源電位VCCLDと同じ電圧レベルでもよいが、差動信号出力LDNの電位が高くなるとLDNからカソードへ向けて変調電流が多く流れてしまい、バイアス回路20がより多くの電流を流す必要が生じるため、DC結合ではVCCDRV <VCCLDとすることが有効である。もちろん、この場合は出力バッファ回路14の負荷抵抗を介してレーザー素子LD側からVCCDRV へ電流が流れるため、このままでは消光できない。したがって、負荷抵抗R1,R2を数kΩ以上の大きな値にしたり、ダイオードを挿入してVCCDRV への電流流出を抑制する必要がある。また、変調回路10の出力インピーダンスは、帰還構造を用いて適切に合成したり、出力送端に終端回路を付加するなどして調整してもよい。
本実施例では、VCCDRV =VCCLDとしている。図2は、実施例1におけるレーザー電流のアイパタンを示す。図3は、実施例1における差動信号出力LDP,LDNの電圧波形を示す。図2(a) および図3(a) は従来構成においてRMP=RMNとした場合、図2(b) および図3(b) は従来構成においてRMP>RMNとした場合、図2(c) および図3(c) はRMP>RMNかつプルアップ抵抗RPUNを接続した実施例1の場合を示す。
従来構成においても、RMP>RMNとすることにより、図3(b) に示すように差動信号出力LDP,LDNの動作レベルを接近させることができ、図2(b) に示すようにレーザー電流のアイパタンもジッタや低周波成分( Lowレベル、Highレベル)のワンダリングについて改善がなされる。また、RMP=RMNの場合に比べてトータルの直列挿入抵抗が減ったため、出力振幅も増大している。一方、図2(c) および図3(c) に示す実施例1の構成では、差動信号出力LDP,LDNの動作レベルがさらに接近し、振幅と出力レベルが低下したものの、波形はさらに改善され、特に Lowレベル、Highレベルに改善が顕著である。また、プルアップによる改善は、変調回路10の出力電位を引き上げるため出力端子からVEEまでの電圧が増加し、出力バッファ回路14のヘッドルームが拡大する効果ももたらしており、波形改善に貢献している。
なお、プルアップ抵抗RPUNは、マッチング抵抗RMNとレーザー素子LDのカソードとの間に接続しても同様の効果がある。特に、RMP>RMNとした場合には、マッチング抵抗RMNの抵抗値が小さいことから、プルアップ抵抗RPUNがマッチング抵抗RMNのどちら側に接続されていてもその効果の違いはほとんどない。
図4は、本発明の直流結合レーザー駆動回路の実施例2の構成例を示す。
本実施例の特徴は、実施例1の構成におけるプルアップ接続構成に代えて、変調回路10の差動信号出力LDPをプルダウン抵抗RPDPを介して接地(VEE)に接続したところにある。なお、プルダウン抵抗RPDPを接地するのではなく、変調回路10の差動信号出力LDPの平均電位より低い電位に接続してもよいが、電源種を増やすことになって経済的でない。プルダウン抵抗RPDPの効果の強さは、プルダウン抵抗RPDPの抵抗値で調整するのが望ましい。また、プルダウン抵抗RPDPは、マッチング抵抗RMPとレーザー素子LDのアノードとの間に接続しても同様の効果がある。
本実施例においてもRMP=RMNまたはRMP>RMNとする。実施例1では、カソード側の電位を引き上げる原理を用いて差動信号出力LDP,LDNの動作レベルを接近させた。この手法の欠点は、カソード側の出力レベルが上昇すると、差動信号出力LDNからカソードを介してバイアス回路20に電流が流れ込み、レーザー素子LDに流れるべき正味のバイアス電流が減ってしまうことである。バイアス回路20が制御する電流Ibiasは、レーザー電流Ildと変調電流Imod の合計であるから、
Ibias=Ild+Imod …(3)
の関係があり、変調電流Imod が増加すると、レーザー電流Ildを確保するために、バイアス回路20はより多くの電流Ibiasを流さなければならなくなる。
本実施例では、差動信号出力LDPの電位を引き下げるので、差動信号出力LDNの電位には影響を与えずに差動信号出力レベルを整合させることができる。従来技術で同様の効果をもたらすには、前述の通りマッチング抵抗RMPを増やさなければならず、パワーロスをもたらしてしまう。
図5は、実施例2におけるレーザー電流のアイパタンを示す。図6は、実施例2における差動信号出力LDP,LDNの電圧波形を示す。図5(a) および図6(a) は従来構成においてRMP=RMNとした場合、図5(b) および図6(b) は従来構成においてRMP>RMNとした場合、図5(c) および図6(c) はRMP>RMNかつプルダウン抵抗RPDPを接続した実施例2の場合を示す。図5(c) および図6(c) に示す実施例2の構成では、出力レベルの不整合が改善され、レーザー電流のアイパタンが改善していることがわかる。ただし、実施例1よりもアイパタンの改善が小さいのは、実施例1における差動信号出力LDNの電位上昇による出力バッファ回路14のヘッドルーム拡大の効果が実施例2では得られないことに因る。
図7は、本発明の直流結合レーザー駆動回路の実施例3の構成例を示す。
本実施例の特徴は、実施例1の構成におけるプルアップ抵抗RPUNと、実施例2の構成におけるプルダウン抵抗RPDPを併用したところにある。RPUNとRPDPの抵抗チャネルはそれぞれ個別に最適化することができる。また、プルアップ抵抗RPUNはマッチング抵抗RMNとレーザー素子LDのカソードとの間に接続してもよいし、プルダウン抵抗RPDPはマッチング抵抗RMPとレーザー素子LDのアノードとの間に接続してもよい。
本実施例においてもRMP=RMNまたはRMP>RMNとする。本実施例の構成では、差動信号出力LDN側のヘッドルームを拡大しつつ、差動信号出力LDP,LDNの不整合を解消でき、かつバイアス電流のロスを最小限に抑制できるため、低消費電力化と出力波形改善を両立させることができる。
図8は、本発明の直流結合レーザー駆動回路の実施例4の構成例を示す。
本実施例の特徴は、実施例1の構成におけるプルアップ抵抗RPUNに並列に、抵抗素子RPUN2と容量素子CPUNの直列回路を接続したところにある。この並列接続の回路をプルアップ回路40という。
実施例1の構成は、実施例2で説明したとおり、差動信号出力LDNの電圧レベルが上昇する副作用として、バイアス電流の効率が低下することがあった。本実施例では、高周波におけるプルアップ効果を維持しつつも、DCレベルではLDNの上昇を抑制するために、差動信号出力LDNにプルアップ回路40を接続している。このプルアップ回路40は、低周波では、そのインピーダンスがほぼプルアップ抵抗RPUNに等しくなり、高周波ではプルアップ抵抗RPUN,RPUN2の並列抵抗値に近づく。このように周波数特性を付与することで、差動信号出力LDNの不要な上昇を抑制しつつ、差動信号出力LDN,LDPのレベルを整合させ、ヘッドルームの確保も期待できる。
同様に、実施例2の構成におけるプルダウン抵抗RPDPに並列に、プルダウン抵抗と容量の直列回路を接続してもよい。この並列接続の回路をプルダウン回路という。
また、実施例3の構成において、プルアップ抵抗RPUNに代えて、またはプルダウン抵抗RPDPに代えて、またはプルアップ抵抗RPUNおよびプルダウン抵抗RPDPにそれぞれ代えて、プルアップ回路40およびプルダウン回路を接続してもよい。また、プルアップ回路40はマッチング抵抗RMNとレーザー素子LDのカソードとの間に接続してもよいし、プルダウン回路はマッチング抵抗RMPとレーザー素子LDのアノードとの間に接続してもよい。
本発明の直流結合レーザー駆動回路では、プルアップ抵抗またはプルダウン抵抗の抵抗値の選択により出力不整合の補償効果を調整できるので、シミュレーションまたは実測によるレーザー素子LDと直流結合レーザー駆動回路の最適化調整を容易かつ迅速に行うことができる。
10 変調回路
11 ゲート回路
12 プリバッファ回路
13 エミッタフォロワ(レベル変換)回路
14 出力バッファ回路
20 バイアス回路
30 自動出力制御回路(APC回路)
40 プルアップ回路
LD レーザー素子
RMP,RMN マッチング抵抗
RPUN プルアップ抵抗
RPDP プルダウン抵抗

Claims (7)

  1. データに応じた差動信号LDP,LDNを生成し、該差動信号LDP,LDNを第1のマッチング抵抗および第2のマッチング抵抗を介してレーザー素子のアノードおよびカソードに直流結合し、レーザー素子の発光強度を変調する直流結合レーザー駆動回路において、
    前記第2のマッチング抵抗の一端をプルアップ抵抗を介して、前記レーザー素子の電源電位以上かつ前記差動信号LDNの平均電位より高いプルアップ電源電位に接続し、前記差動信号LDNの電位を前記差動信号LDPの電位またはその近傍に引き上げる構成である
    ことを特徴とする直流結合レーザー駆動回路。
  2. データに応じた差動信号LDP,LDNを生成し、該差動信号LDP,LDNを第1のマッチング抵抗および第2のマッチング抵抗を介してレーザー素子のアノードおよびカソードに直流結合し、レーザー素子の発光強度を変調する直流結合レーザー駆動回路において、
    前記第1のマッチング抵抗の一端をプルダウン抵抗を介して、前記差動信号LDNの平均電位より低いプルダウン電源電位に接続し、前記差動信号LDPの電位を前記差動信号LDNの電位またはその近傍に引き下げる構成である
    ことを特徴とする直流結合レーザー駆動回路。
  3. データに応じた差動信号LDP,LDNを生成し、該差動信号LDP,LDNを第1のマッチング抵抗および第2のマッチング抵抗を介してレーザー素子のアノードおよびカソードに直流結合し、レーザー素子の発光強度を変調する直流結合レーザー駆動回路において、
    前記第2のマッチング抵抗の一端をプルアップ抵抗を介して、前記レーザー素子の電源電位以上かつ前記差動信号LDNの平均電位より高いプルアップ電源電位に接続し、
    前記第1のマッチング抵抗の一端をプルダウン抵抗を介して、前記差動信号LDNの平均電位より低いプルダウン電源電位に接続し、
    前記差動信号LDNの電位を引き上げ、前記差動信号LDPの電位を引き下げ、両者を近接させる構成である
    ことを特徴とする直流結合レーザー駆動回路。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれかに記載の直流結合レーザー駆動回路において、
    前記第2のマッチング抵抗の値が前記第1のマッチング抵抗の値より小さいことを特徴とする直流結合レーザー駆動回路。
  5. 請求項1に記載の直流結合レーザー駆動回路において、
    前記プルアップ抵抗と並列に、抵抗素子と容量素子の直列回路を接続した構成であることを特徴とする直流結合レーザー駆動回路。
  6. 請求項2に記載の直流結合レーザー駆動回路において、
    前記プルダウン抵抗と並列に、抵抗素子と容量素子の直列回路を接続した構成であることを特徴とする直流結合レーザー駆動回路。
  7. 請求項3に記載の直流結合レーザー駆動回路において、
    前記プルアップ抵抗と並列に、または前記プルダウン抵抗と並列に、または前記プルアップ抵抗および前記プルダウン抵抗とそれぞれ並列に、抵抗素子と容量素子の直列回路を接続した構成であることを特徴とする直流結合レーザー駆動回路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2013111381A1 (ja) 2012-01-25 2013-08-01 株式会社フジクラ Dc結合型レーザ駆動回路、及び、半導体レーザ素子の駆動方法

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