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公開番号2025018458
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-06
出願番号2023122172
出願日2023-07-27
発明の名称レーザ駆動回路、およびレーザ駆動方法
出願人日本電信電話株式会社,国立大学法人九州大学
代理人弁理士法人志賀国際特許事務所
主分類H01S 5/042 20060101AFI20250130BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】瞬時に電流源を切り替えることが可能となり、発光停止時に無駄な消費電力が発生しないことを実現できるレーザ駆動回路、およびレーザ駆動方法を提供することを目的としている。
【解決手段】レーザと、レーザのアノード側に電流源として接続される第1トランジスタと、レーザのカソード側に電流源として接続される第2トランジスタと、を備え、第1トランジスタは、PNPトランジスタであり、第2トランジスタは、NPNトランジスタであり、レーザのアノードとカソードに差動の駆動信号を入力する、レーザ駆動回路である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
レーザと、
前記レーザのアノード側に電流源として接続される第１トランジスタと、
前記レーザのカソード側に電流源として接続される第２トランジスタと、
を備え、
前記第１トランジスタは、ＰＮＰトランジスタであり、
前記第２トランジスタは、ＮＰＮトランジスタであり、
前記レーザの前記アノードと前記カソードに差動の駆動信号を入力する、
レーザ駆動回路。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記第１トランジスタは、一端が前記アノードに接続され、他端が電源電圧に接続され、
前記第２トランジスタは、一端が前記カソードに接続され、他端が基準電圧に接続される、
請求項１に記載のレーザ駆動回路。
【請求項３】
前記レーザの発光を停止する送信停止信号を用いて、前記第１トランジスタへの制御信号と、前記第２トランジスタへの制御信号を出力することで前記電流源である前記第１トランジスタと前記第２トランジスタを制御する差動増幅器を備える、請求項２に記載のレーザ駆動回路。
【請求項４】
前記レーザがオフレベル時の前記差動の駆動信号を、発光停止時に所定電圧下げる自動オフレベル補償回路を備える、
請求項２に記載のレーザ駆動回路。
【請求項５】
前記アノード側の電圧値と、前記カソード側の電圧値との差を前記所定電圧分大きくなるように電流値を増加させ、
前記レーザがオフレベル時の前記第１トランジスタへの第１制御信号を、前記所定電圧下げる、
請求項４に記載のレーザ駆動回路。
【請求項６】
制御部を備え、
前記制御部は、
前記レーザの発光停止時に、前記第１トランジスタへの第１制御信号を電源電圧値に制御し、前記第２トランジスタへの第２制御信号を基準電圧値に制御し、
前記レーザの発光時に、前記第１制御信号を前記電源電圧値より下げるように制御し、前記第２制御信号を基準電圧値より上げるように制御する、
請求項２に記載のレーザ駆動回路。
【請求項７】
前記レーザの前記アノードと前記カソードへの前記差動の駆動信号の正相出力と逆相出力との平均電圧は、前記レーザに電流が流れない時と流れた時との変換量と等しい、
請求項２に記載のレーザ駆動回路。
【請求項８】
制御部が、
レーザの発光停止時に、前記レーザのアノード側に接続される第１トランジスタへの第１制御信号を電源電圧値に制御し、前記レーザのカソードに接続される第２トランジスタへの第２制御信号を基準電圧値に制御し、
前記レーザの発光時に、前記第１制御信号を前記電源電圧値より下げるように制御し、前記第２制御信号を基準電圧値より上げるように制御する、
レーザ駆動制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ駆動回路、およびレーザ駆動方法の技術に関する。
続きを表示（約 3,400 文字）【背景技術】
【０００２】
アクセスネットワークでは、光送受信モジュールの内部で波長の異なる送信の光信号と受信の光信号を合分波することで、１本の光ファイバで双方向の通信（一心双方向通信）を実現している。このため、図９のように送信モジュール（ＴＯＳＡ）と受信モジュール（ＲＯＳＡ）が近接した構造となり、共通の接地（グランド）を介してレーザを大電流で駆動するＴＯＳＡ側から、非常に高感度で微小な電気信号を受信するＲＯＳＡ側に、高い周波数の電気信号が漏れ込む「漏話（クロストーク）」が生じる。図９は、従来技術のモジュールの構成例とクロストーク例を示す図である。クロストークを抑えるには、高周波信号によるグランド電位の変動を抑える必要がある。レーザ（ＬＤ）と、ＬＤを駆動するレーザドライバ回路（ＬＤＤ）を差動インタフェースで接続すれば、差動信号間で信号の電界中和点（仮想の接地）が生じるため、クロストークが押さえられることが開示されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
このような差動インタフェースによるレーザ駆動は、一般的な「連続信号」を用いた光送信器では比較的簡単に実現可能であるが、アクセスネットワークの上り伝送に用いられている「バースト信号」の送信器においては、幾つかの理由で非常に困難である。
図１０のように一般的な単相駆動型の光送信器では、ＬＤＤの逆相出力端子にＬＤのカソード端子が接続されている。図１０は、従来技術の単相駆動型光送信器の回路構成例を示す図である。これを差動駆動にするためには、ＬＤＤの正相出力端子をアノード端子に接続することになるが、アノードとカソードは直流電位が等しくないため、ＬＤＤの差動出力を直結できない。このため十分に大きな容量を用いた容量結合となるが、ＬＤからＬＤＤに流れる直流電流のパスが無くなるため、直流バイアス供給用の回路がＬＤ側に必要となる。アノードとカソードの両端子に差動信号を伝えるためには、電源（Ｖ
ｄｄ
）やグランドに直接接続することはできないので、図１１のようにチョークコイルや定電流源回路が必要となる。図１１は、従来技術の差動駆動型光送信器の回路構成例を示す図である。
【０００４】
また、バースト信号を送信する光送信器（バースト送信器）は、送信許可が下りている間だけ光信号を送信するため、瞬時にレーザを発光・停止する機能を具備する必要がある。ＬＤの発光を止めるにはバイアス電流を切る必要があるが、アノード端子側に付けたチョークコイルの影響で、電流量は瞬時に変化できなくなっている。発光機能や停止機能を実現するためには、図１２のようにＬＤを片側の負荷とした差動増幅構成を用い、送信停止信号（Ｔｘ
ｄｉｓａｂｌｅｄ
）を用いてダミー抵抗側のパスに電流を切り換えて発光を停止する技術が提案されている（特許文献１参照）。図１２は、従来技術のバースト型光送信器の回路構成例を示す図である。
【０００５】
また、バースト送信器は、発光停止時に信号がレーザに伝って誤発光しないように、瞬時にＬＤＤの出力信号を出力や停止する機能を併せ持つ必要がある。一般的に用いられる回路構成は、図１３のようにＬＤＤの入力部に論理積（ＡＮＤ）回路を接続し、Ｔｘ
ｄｉｓａｂｌｅｄ
信号を用いて信号の出力・停止を行うというものである。図１３は、従来技術のバースト型光送信器の結合容量による過渡応答を示す図である。
【０００６】
また、ＬＤを発光開始するとＬＤに電流が流れることからカソード電位が大きく引き下げられる。これと同時に信号の入力を開始すると、結合容量の両端子に生じる過渡応答は図１４の符号ｇ９２１、ｇ９３１で示した信号のようにアノード端子とカソード端子で同極性（右下がり）となる。図１４は、従来技術のレーザ駆動回路の過渡応答例を示す図である。符号ｇ９００の図はキャパシタＣ９０１の過渡応答例を示し、符号ｇ９１０の図はキャパシタＣ９０２の過渡応答例を示す。また、符号ｇ９２０の図はＬＤのアノードの過渡応答例を示し、符号ｇ９３０の図はＬＤのカソードの過渡応答例を示す。また、符号ｇ９０１、ｇ９１１、ｇ９２１およびｇ９３１それぞれは、ＡＯＬＣ（自動オフレベル補償回路）がオフ状態の過渡応答であり、符号ｇ９０２およびｇ９２２それぞれは、ＡＯＬＣがオン状態の過渡応答である。この過渡応答のカーブを一致させることができれば、ＬＤの差動駆動によりカーブが同相除去され、発光強度の安定性が瞬時に得られることになる。そのためには、結合容量の両端子間電圧の変化量がアノード側とカソード側で等しくなければならず、さらに過渡応答の時定数が一致しなければならない。
【０００７】
一般にＬＤの緩和振動やターンオン遅延を抑えるために、ＬＤの直流バイアス電圧は信号振幅によってしきい電圧を下回らないように設計されるため、結合容量の両端子間電圧の変化量は一致しない。図１４の自動オフレベル補償回路は、Ｔｘ
ｄｉｓａｂｌｅ
信号に合わせて発光停止時のオフのレベルを図１４の符号ｇ９０２の信号のように意図的に下げることで、結合容量の両端子間電圧の変化量を等しく調整できる（非特許文献２、特許文献２参照）。一方で過渡応答の時定数を一致させるためには、ＬＤの上下に接続されるチョークコイルや定電流源回路のインピーダンスのバランスを調整する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特開２０１１－１８２１０８号公報
国際公開第２００９／１０４７４６号
【非特許文献】
【０００９】
Tomoaki Yoshida, Shunji Kimura, et al.,“First single-fibre bi-directional XFP transceiver for optical metro/access networks”, Paper We4.P.021, European Conference on Optical Communication, ECOC 2005.
Hirotaka Nakamura, Shunji Kimura, et al., “AC-Coupled Burst-Mode Transmitter Using Baseline-Wander Common-Mode-Rejection Technique for 10-Gbit/s-Class PON Systems”, IEEE J. Lightw. Technol., vol.27, No.1-4, pp.336-342, Jan.-Feb. 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来技術の差動インタフェースによるレーザ駆動において、差動駆動を実現するには、結合容量やチョークコイルが必要となり、これらは一般に非常に大きな素子が用いられるため、長い過渡応答が生じてバースト送信器の瞬時応答性能を劣化させることになる。
また、特許文献１に記載の技術では、発光停止時も直流電流がダミー側に流れるため、一定の電力を消費するという課題がある。
また、図１３の従来技術では、出力時と出力停止時ではＬＤＤの出力信号の平均電位が変動するため、ＬＤ側のアノード・カソード端子の平均電位は結合容量の充放電により過渡応答が生じてしまう。図中の赤い線は正相側・逆相側の結合容量の両端子に均等に電荷の充放電が生じる場合の平均電位の過渡応答を示している。ＬＤの両端子間電圧は発光開始時に大きな電圧がかかり、過剰発光が生じることが分かる。過渡応答の応答時間は結合容量値が大きければ長くなるため、オーバーヘッドを長くとる必要があり、伝送効率の致命的な低下を引き起こすと言う課題がある。
また、非特許文献２、特許文献２に記載の技術では、定電流源回路のインピーダンスを高くするためには前述の差動増幅構成のようにトランジスタの縦積み構成が必要となり、消費電力が高くなる傾向がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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