(57)【要約】【課題】変調時のオーバーシュートを抑制できる半導体レーザ駆動回路。【解決手段】アノードが電源ＶＬＤに接続されレーザ光を出力し且つ外部変調入力信号によりレーザ光が変調される半導体レーザＬＤ、一端がＬＤのカソードに接続されたインピーダンス素子１１、一端がＬＤのアノードに接続されたインピーダンス素子１２、トランジスタＱ１のコレクタがインピーダンス素子１１の他端に接続されトランジスタＱ２のコレクタがインピーダンス素子１２の他端に接続され、Ｑ１，Ｑ２のエミッタが接続される差動対回路、一端がＱ１，Ｑ２のエミッタに接続される電流源ｉＭＯＤ、外部変調入力信号によりＱ１を駆動しＱ１，Ｑ２を制御する差動電圧ｖｂ１−ｖｂ２を生成する差動ドライバ１４を備え、差動ドライバは、外部変調入力信号によりＬＤの出力がハイレベル時にＬＤに流れる電流のオーバーシュートの振幅が所定値以下になるように差動電圧を制御する。【選択図】図１
2019021792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極が電源に接続され、レーザ光を出力し且つ外部変調入力信号により前記レーザ光が変調される半導体レーザと、
一端が前記半導体レーザの第２電極に接続された第１インピーダンス素子と、
一端が前記半導体レーザの前記第１電極と前記電源に接続された第２インピーダンス素子と、
第１トランジスタの第１主電極が前記第１インピーダンス素子の他端に接続され、第２トランジスタの第１主電極が前記第２インピーダンス素子の他端に接続され、前記第１トランジスタの第２主電極と前記第２トランジスタの第２主電極が接続される差動対回路と、
一端が前記第１トランジスタの第２主電極と前記第２トランジスタの第２主電極とに接続される電流源と、
前記外部変調入力信号により前記第１トランジスタを駆動するとともに、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとを制御するための差動電圧を生成する差動ドライバと、
を備え、
前記差動ドライバは、前記外部変調入力信号により前記半導体レーザの出力がハイレベルになる時に、前記半導体レーザに流れる電流のオーバーシュートの振幅が所定値以下になるように、前記差動電圧を制御することを特徴とする半導体レーザ駆動回路。
【請求項２】
前記差動ドライバは、前記半導体レーザの出力がハイレベルになる時に、前記第１トランジスタの制御電極の電圧と前記第２トランジスタの制御電極の電圧との前記差動電圧を１２０ｍＶ〜２５０ｍＶとしたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ駆動回路。
【請求項３】
前記差動ドライバは、前記第１トランジスタの制御電極に印加される電圧を調整することにより前記差動電圧を１２０ｍＶ〜２５０ｍＶに制御する差動増幅回路を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体レーザ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部変調入力信号により半導体レーザのレーザ光を変調する半導体レーザ駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を用いた医用機器、分析計測機器では、アプリケーション上、レーザ光の光強度を高速に変調して使用する。レーザ光を変調して使用する代表例としては、光通信が知られている。光通信では、様々な専用駆動ＩＣが用いられている。
【０００３】
光通信用半導体レーザの波長帯は、１．５５μｍを代表とする赤外領域であり、ＩＣもこの波長帯の半導体レーザに最適化されている。この場合、光通信用半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動回路が用いられている。
【０００４】
図７に従来の半導体レーザ駆動回路の一例を示す（非特許文献１）。図７において、レーザドライバ５０は、差動対をなすトランジスタＱ１，Ｑ２、電流源ＩMOD、ＩBIASを有する。
【０００５】
トランジスタＱ１のベースに電圧が印加されて、３．３Ｖの電源から抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱ１に電流が流れる。トランジスタＱ２のベースにレーザ変調時の電圧が印加されて、３．３Ｖの電源から半導体レーザＬＤ、抵抗ＲＤを介してトランジスタＱ２に電流が流れる。トランジスタＱ１の電流とトランジスタＱ２の電流の合計が電流源ＩMODの電流となる。トランジスタＱ２に流れる電流により、半導体レーザＬＤからレーザ光が出力される。
【０００６】
また、トランジスタＱ２に電流が流れなくても、半導体レーザＬＤからリアクトルＬSを介して電流源ＩBIASの電流が流れる。
【０００７】
近年、半導体レーザの波長が可視光領域まで拡大し、様々なアプリケーションに適用されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Interfacing Maxim Laser Drivers with Laser Diodes, Application Note:HFAN-2.0 Rev0;5/00
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、可視光の半導体レーザの中でも窒化ガリウム系の材料を用いた短波長の半導体レーザは、電圧、電流のレベルが赤外領域の半導体レーザとは大きく異なる。このため、光通信用の半導体レーザ駆動回路をそのまま適用した場合、以下の課題を有していた。
【００１０】
まず、半導体レーザの順方向電圧が赤外半導体レーザで設計されているため、窒化ガリウム系の半導体レーザを使用した場合には、順方向電圧が大きくなり、ヘッドルームが不足する。
【００１１】
ヘッドルーム問題を解決するために、半導体レーザの電源電圧を高くすると、ＩＣ内の動作ポイントがずれることにより、最適な動作が困難になる。
【００１２】
また、出力が高い半導体レーザを使用する場合には、駆動電流がＩＣの定格を超えてしまう。
【００１３】
さらに、変調速度によっては、半導体レーザが立ち上がった時に過度にオーバーシュートが発生することがある。このため、アプリケーションによっては、オーバーシュートの発生が問題になる。
【００１４】
また、変調時のオーバーシュートを抑制するためには、バイアス電流を流す必要がある。しかし、最適なバイアスポイントは、経時的に変化するため、レーザオフ時の消光比を必要とするアプリケーションでは、問題になる。
【００１５】
本発明の課題は、変調時のオーバーシュートを抑制することができる半導体レーザ駆動回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る半導体レーザ駆動回路は、上記課題を解決するために、第１電極が電源に接続され、レーザ光を出力し且つ外部変調入力信号により前記レーザ光が変調される半導体レーザと、一端が前記半導体レーザの第２電極に接続された第１インピーダンス素子と、一端が前記半導体レーザの前記第１電極と前記電源に接続された第２インピーダンス素子と、第１トランジスタの第１主電極が前記第１インピーダンス素子の他端に接続され、第２トランジスタの第１主電極が前記第２インピーダンス素子の他端に接続され、前記第１トランジスタの第２主電極と前記第２トランジスタの第２主電極が接続される差動対回路と、一端が前記第１トランジスタの第２主電極と前記第２トランジスタの第２主電極とに接続される電流源と、前記外部変調入力信号により前記第１トランジスタを駆動するとともに、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとを制御するための差動電圧を生成する差動ドライバとを備え、前記差動ドライバは、前記外部変調入力信号により前記半導体レーザの出力がハイレベルになる時に、前記半導体レーザに流れる電流のオーバーシュートの振幅が所定値以下になるように、前記差動電圧を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、差動ドライバは、外部変調入力信号により半導体レーザの出力がハイレベルになる時に、半導体レーザに流れる電流のオーバーシュートの振幅が所定値以下になるように、差動電圧を制御するので、変調時のオーバーシュートを抑制することができる。また、バイアス電流を必要としないため、十分な消光比を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１の半導体レーザ駆動回路の構成図である。
【図２】本発明の実施例１の半導体レーザ駆動回路の差動電圧とコレクタ電流との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施例１の半導体レーザ駆動回路の差動電圧が３００ｍＶ時のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の実施例１の半導体レーザ駆動回路の差動電圧が２５５ｍＶ時のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の実施例１の半導体レーザ駆動回路の差動電圧が２４２ｍＶ時のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明の実施例１の半導体レーザ駆動回路に設けられた差動ドライバ内のアンプの内部構成図である。
【図７】従来の半導体レーザ駆動回路の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施例１）
以下、本発明の実施形態に係る半導体レーザ駆動回路を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
半導体レーザ駆動回路は、半導体レーザＬＤ、インピーダンス素子１１，１２、バイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２、差動ドライバ１４、電流設定回路１５を備えている。
【００２１】
半導体レーザＬＤは、レーザダイオードからなり、アノード（第１電極）が電源ＶＬＤに接続される。半導体レーザＬＤは、レーザ光を出力し且つ外部変調入力信号によりレーザ光が変調される。
【００２２】
半導体レーザＬＤのカソード（第２電極）にはインピーダンス素子１１（第１インピーダンス素子）の一端が接続されている。
【００２３】
半導体レーザＬＤのアノードと電源ＶＬＤには、インピーダンス素子１２（第２インピーダンス素子）の一端が接続されている。
【００２４】
インピーダンス素子１１の他端には、バイポーラトランジスタ（第１トランジスタ）Ｑ１のコレクタ（第１主電極）が接続されている。インピーダンス素子１２の他端には、バイポーラトランジスタ（第２トランジスタ）Ｑ２のコレクタ（第１主電極）が接続されている。
【００２５】
バイポーラトランジスタＱ１のエミッタ（第２主電極）とバイポーラトランジスタＱ２のエミッタ（第２主電極）とは、共通に接続されている。バイポーラトランジスタＱ１とバイポーラトランジスタＱ２とで差動対回路を構成している。
【００２６】
なお、実施例では、バイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２による差動対を示したが、これらに代えて、Ｑ１，Ｑ２をＦＥＴで構成しても良い。
【００２７】
バイポーラトランジスタＱ１のエミッタとバイポーラトランジスタＱ２のエミッタとには、電流源１３が接続されている。電流設定回路１５は、電流源１３の電流を設定する。
【００２８】
差動ドライバ１４は、アンプＡ１、アンプＡ２からなり、バイポーラトランジスタＱ１とバイポーラトランジスタＱ２とを制御するための差動電圧を生成する。差動電圧は、バイポーラトランジスタＱ１のベースに印加されるベース電圧Ｖｂ１と、バイポーラトランジスタＱ２のベースに印加されるベース電圧Ｖｂ２との差電圧（ｖｂ１−ｖｂ２）である。
【００２９】
アンプＡ１は、外部変調入力信号によりバイポーラトランジスタＱ１を駆動する。アンプＡ２は、基準電源Ｖｒｅｆの基準電圧を増幅した電圧をバイポーラトランジスタＱ２のベースに印加する。
【００３０】
差動ドライバ１４は、外部変調入力信号により半導体レーザＬＤの出力がハイレベルになる時に、半導体レーザＬＤに流れる電流のオーバーシュートの振幅が所定値以下になるように、差動電圧（ｖｂ１−ｖｂ２）を制御する。
【００３１】
図２に、実施例１の半導体レーザ駆動回路の差動電圧とコレクタ電流との関係を示す。横軸が差動電圧（ｖｂ１−ｖｂ２）であり、縦軸はバイポーラトランジスタＱ１のコレクタ電流ｉｃ１とバイポーラトランジスタＱ２のコレクタ電流ｉｃ２とを示す。
【００３２】
差動電圧（ｖｂ１−ｖｂ２）がゼロの場合には、バイポーラトランジスタＱ１のコレクタ電流ｉｃ１とバイポーラトランジスタＱ２のコレクタ電流ｉｃ２とは等しく、電流源ｉＭＯＤの電流の半分の電流ｉＭＯＤ／２である。
【００３３】
差動電圧（ｖｂ１−ｖｂ２）が−１００ｍＶ、−２００ｍＶと負電圧となると、バイポーラトランジスタＱ１のコレクタ電流ｉｃ１が小さくなり、バイポーラトランジスタＱ２のコレクタ電流ｉｃ２が大きくなる。
【００３４】
差動電圧（ｖｂ１−ｖｂ２）が１００ｍＶ、２００ｍＶと正電圧となると、バイポーラトランジスタＱ１のコレクタ電流ｉｃ１が大きくなり、バイポーラトランジスタＱ２のコレクタ電流ｉｃ２が小さくなる。
【００３５】
差動電圧（ｖｂ１−ｖｂ２）が１２５ｍＶ以上になると、バイポーラトランジスタＱ１に流れる電流が電流源ｉＭＯＤの電流に漸近するため、半導体レーザＬＤの出力がハイレベルになる。
【００３６】
差動ドライバ１４は、半導体レーザＬＤの出力がハイレベルになる時に、バイポーラトランジスタＱ１のベースの電圧とバイポーラトランジスタＱ２のベースの電圧との差動電圧を１２０ｍＶ〜２５０ｍＶとした。
【００３７】
アンプＡ１は、バイポーラトランジスタＱ１のベースに印加されるパルス電圧ｖｂ１を生成する回路であり、アンプＡ２は、バイポーラトランジスタＱ２のベースに印加されるパルス電圧ｖｂ２を生成する回路である。アンプＡ１の詳細な構成を図６に示す。
【００３８】
アンプＡ１は、アンプ２１，２２、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１，Ｒ２を備えている。アンプ２１の非反転入力端子（＋）には基準電源の電圧Ｖ１の正極が接続され、アンプ２１の反転入力端子（−）はアンプ２１の出力端子と抵抗Ｒ１の一端に接続されている。抵抗Ｒ１の他端は、アンプ２２の非反転入力端子に接続されている。
【００３９】
抵抗Ｒ２の一端には外部変調入力信号の電圧Ｖ２が入力される。抵抗Ｒ２の他端は、アンプ２２の非反転入力端子とコンデンサＣ１の一端に接続されている。コンデンサＣ１の他端は、グランド（ＧＮＤ）に接続されている。
【００４０】
アンプ２２の反転入力端子はアンプ２２の出力端子ＯＵＴに接続され、出力端子ＯＵＴから電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とに比例した電圧がバイポーラトランジスタＱ１のベースに印加される。
【００４１】
外部変調入力信号の電圧Ｖ２は、ハイレベルとローレベルのパルス信号であり、電圧Ｖ１は直流電圧であるため、出力端子ＯＵＴから出力される電圧もパルス信号の電圧である。
【００４２】
パルス信号の電圧のハイレベルをＶＨとし、ローレベルをＶＬとすると、ＶＨ，ＶＬは、式（１）で求められる。
ＶＨ＝Ｒ２×Ｖ１／（Ｒ１＋Ｒ２）＋Ｒ１×Ｖ２／（Ｒ１＋Ｒ２）
ＶＬ＝Ｒ２×Ｖ１／（Ｒ１＋Ｒ２）                    …（１）      
次に、このように構成された実施例１の半導体駆動回路の動作を説明する。まず、外部からデジタル変調信号（例えばＴＴＬレベル）が入力されると、差動ドライバ１４は、アンプＡ１によりバイポーラトランジスタＱ１のベース電圧ｖｂ１を生成する。
【００４３】
このとき、バイポーラトランジスタＱ１側に電流を流すために、アンプＡ１では、図６に示すアンプ２１，２２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、電圧Ｖ１，Ｖ２を用いて、式（１）に示すパルス電圧、即ち、ベース電圧ｖｂ１を調整する。
【００４４】
これにより、オーバーシュート量を調整することができる。
【００４５】
差動ドライバ１４は、半導体レーザＬＤの出力がハイレベルになる時に、バイポーラトランジスタＱ１のベースの電圧とバイポーラトランジスタＱ２のベースの電圧との差動電圧を１２０ｍＶ〜２５０ｍＶとした。
【００４６】
これにより、ｉＭＯＤに対する光出力を低下させることなく、デジタル変調時のオーバーシュートを抑制することができる。また、バイアス電流を必要としないため、十分な消光比を確保することができる。
【００４７】
図３に、実施例１の半導体レーザ駆動回路の差動電圧が３００ｍＶ時のシミュレーション結果を示す。差動電圧が３００ｍＶ時では、オーバーシュートＯＳＴ１が大きい。
【００４８】
図４に、実施例１の半導体レーザ駆動回路の差動電圧が２５５ｍＶ時のシミュレーション結果を示す。差動電圧が２５５ｍＶ時では、オーバーシュートＯＳＴ２はオーバーシュートＯＳＴ１よりも小さくなる。
【００４９】
図５に、実施例１の半導体レーザ駆動回路の差動電圧が２４２ｍＶ時のシミュレーション結果を示す図である。差動電圧が２４２ｍＶ時では、オーバーシュートＯＳＴ３は非常に小さくなる。
【００５０】
一方、半導体レーザＬＤの消灯時には、差動電圧（ｖｂ１−ｖｂ２）が−１２５ｍＶ以下になるように、差動ドライバ１４を調整することで、バイポーラトランジスタＱ１に流れる電流が零に漸近するため、デジタル変調の消光比を十分に確保することができる。
【００５１】
さらに、半導体レーザＬＤが点灯しないとき、即ち、差動電圧（ｖｂ１−ｖｂ２）が負になるときの値を調整することで、デジタル変調の消光状態が許容される範囲で、半導体レーザＬＤにバイアス電流を流すことができるため、デジタル変調の立ち上がり特性を最適化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、レーザ光を利用した医用機器、分析計測機器に搭載されるレーザ装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
ＬＤ  半導体レーザ
ＶＬＤ  電源
Ｑ１，Ｑ２  バイポーラトランジスタ
Ａ１，Ａ２  アンプ
Ｖｒｅｆ  基準電源
１１，１２  インピーダンス素子
１３  電流源
１４  差動ドライバ
１５  電流設定回路
【図１】
2019021792.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2019021792.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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