(57)【要約】  本発明は、光電素子の超高速駆動回路において、時間４００ｐｓ以下のエッジを有する電圧矩形波の発生器、ならびに、光電素子の電源端子（１３）に直列に接続するように適合された出力、および、電圧矩形波発生器に接続され、そこで形成される電圧矩形波を受け取る入力を備える制御パルス成形回路（１７）を含み、前記入力端子と前記出力端子の間に、ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）からなる第１の分岐（２０）であって、その受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）が第１の分岐内において直列をなし、光電素子の前記電源端子（１３）に対して順方向をなす第１の分岐（２０）と、第２の容量性分岐（２１）とが互いに並列につながれていることを特徴とする駆動回路に関する。
2013512636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの光電ダイオード（１２）を含む光電素子の超高速駆動回路において、
時間４００ｐｓ以下のエッジを有する電圧矩形波の発生器（１５、１６）と、
光電素子の制御パルス成形回路（１７）であって、
光電素子に接続するように適合された出力（１８）、および
電圧矩形波発生器（１５、１６）に接続され、そこで形成される電圧矩形波を受け取る入力（１９）を備える制御パルス成形回路（１７）とを含み、
入力端子（１９ａまたは１９ｂ）と、光電素子の電源端子（１３または１４）に直列に接続される出力端子（１８ａまたは１８ｂ）の間に、
ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）からなる第１の分岐（２０）であって、受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）が第１の分岐内において直列をなし、光電素子の電源端子（１３または１４）に対して順方向をなす第１の分岐（２０）と、
第２の容量性分岐（２１）とが互いに並列につながれていることを特徴とする駆動回路。
【請求項２】
ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）が、第１の分岐内において直列をなし、光電素子の電源端子（１３または１４）に対して順方向をなす少なくとも１つのダイオードからなることを特徴とする、請求項１に記載の回路。
【請求項３】
ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）が、０．５Ｖ以上の全閾値電圧と５０Ω以下の動的抵抗を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の回路。
【請求項４】
ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）が、少なくとも１つのショットキーダイオード（２２ａ、２２ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の回路。
【請求項５】
ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）が、直列の複数のショットキーダイオード（２２ａ、２２ｂ）からなることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の回路。
【請求項６】
ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）が、直列の２つのショットキーダイオードからなること、ならびに、それぞれのショットキーダイオード（２２ａ、２２ｂ）が約０．３Ｖから０．３５Ｖの閾値電圧、約６Ωの動的抵抗および約１０ＧＨｚの通過帯域を有することを特徴とする、請求項５に記載の回路。
【請求項７】
ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）が、少なくとも１つのＰＩＮダイオードを含むことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の回路。
【請求項８】
ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路（２２ａ、２２ｂ）が、約０．９Ｖから１Ｖの閾値電圧、約０．５Ωから１Ωの動的抵抗および約１ＧＨｚから５ＧＨｚの通過帯域を有する１つのＰＩＮダイオードからなることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の回路。
【請求項９】
第２の分岐（２１）の静電容量がゼロ電圧時の光電素子の静電容量の０．２倍から２倍の間であることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の回路。
【請求項１０】
第２の分岐（２１）の静電容量が１０ｐＦから２００ｐＦの範囲であることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の回路。
【請求項１１】
電圧矩形波発生器（１５、１６）が、ピーク振幅が０Ｖから４Ｖの範囲、持続時間が２５０ｐｓから４ｎｓの範囲の電圧矩形波を発生するように適合されることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の回路。
【請求項１２】
電圧矩形波発生器（１５、１６）が、第１の分岐（２０）および光電素子のそれぞれの光電ダイオード（１２）の全閾値電圧を下回る値のバイアス直流電圧Ｖｃを供給するように適合されることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の回路。
【請求項１３】
電圧矩形波発生器（１５、１６）が、０Ｖから３Ｖの範囲のバイアス直流電圧Ｖｃを供給するように適合されることを特徴とする、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の回路。
【請求項１４】
電圧矩形波発生器（１５、１６）が、静電記憶スイッチングダイオード（３２）を用いた電圧矩形波成形装置（１６）を含むことを特徴とする、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の回路。
【請求項１５】
電圧矩形波発生器（１５、１６）が、電圧矩形波成形装置（１６）に対して供給を行う周期信号発生器（１５）を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの光電ダイオード（ＬＥＤ、半導体レーザーダイオード）を含む光電素子の超高速駆動用回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
こうした光電ダイオードの超高速駆動は、大容量光通信の分野（たとえば、光ファイバによるインターネットのＦＴＴＨ網プロジェクト、ＷＩＦＩ接続の代わりに建物の天井から光ビームを送出するＦＳＯ（「Ｆｒｅｅ  Ｓｐａｃｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（光無線通信）」）用途、電子基板上の素子同士の間および／または電子基板同士の間および／またはコンピュータのバスとしての光接続用途の一環など）において重要である。従来、こうした用途に使用されている光源は、波長の制御や温度安定化のために高価な装置を必要とする半導体レーザーダイオードである。市販の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、レーザーダイオードよりも経済的であるが、変調周波数が限られており、典型的にはおよそ１５０ＭＨｚまたはそれ以下であって、現在求められている毎秒数百メガビット以上、典型的には毎秒数ギガビット前後という通信速度を達成するには不十分である。実際、こうした速度での光通信のためには、光源を１ＧＨｚ以上、さらには数十ギガヘルツのオーダーの周波数で駆動できる必要がある。
【０００３】
また、光電ダイオードの超高速駆動は、たとえ繰返し周波数は１００ＭＨｚ以下であってよいとしても、短パルス（数百ピコ秒）を発生させる光源を必要とする科学研究用機器（とりわけ、光学的な分子検出、蛍光分光法など）でも必要とされる。
【０００４】
光電ダイオードの公知の駆動回路は、双極性トランジスタやＲＣ回路のような、比較的性能が低く、損失をもたらす能動素子を含む制御パルス成形回路を備えた複雑なシステムである（例えば、ＥＰ０４７０７８０、ＵＳ５３２９２１０、参照番号ＭＣ２０４２−４の集積回路（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｎｄｓｐｅｅｄ．ｃｏｍ）、Ｅ．Ｆ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ、Ｎ．Ｅ．Ｊ．Ｈｕｎｔ、Ｒ．Ｊ．Ｍａｌｉｋ、Ｍ．ＭｉｃｏｖｉｃおよびＤ．Ｌ．Ｍｉｌｌｅｒ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ  １４、Ｎｏ．７（１９９６）を参照のこと）。また、送出される光パルスの持続時間の観点から許容可能な性能に近いものでありうる能動素子ベースの公知の装置は、それによってもたらされる光出力が比較的弱い上に、きわめて高価（典型的には数千ユーロ）である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許公開０４７０７８０号公報
【特許文献２】米国特許５，３２９，２１０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｅ．Ｆ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ、Ｎ．Ｅ．Ｊ．Ｈｕｎｔ、Ｒ．Ｊ．Ｍａｌｉｋ、Ｍ．ＭｉｃｏｖｉｃおよびＤ．Ｌ．Ｍｉｌｌｅｒ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ  １４、Ｎｏ．７（１９９６）
【発明の概要】
【０００７】
このような状況にあって、本発明は、低コストで単純、かつ高速であると同時に、２０００ｐｓ以下の持続時間の光パルスの送出および／または５００ＭＨｚ以上の周波数の大信号変調を２０μＷ以上、とりわけ周波数１ＧＨｚで約５０μＷのピーク出力でできる光電モジュールの超高速駆動回路を提案することを目的とする。
【０００８】
そこで、本発明は、少なくとも１つの光電ダイオードを含む光電素子の超高速駆動回路において、
時間４００ｐｓ以下のエッジを有する電圧矩形波の発生器と、
光電素子の制御パルス成形回路であって、
光電素子と接続するように適合された出力、および
電圧矩形波発生器に接続され、そこで形成される電圧矩形波を受け取る入力を備える制御パルス成形回路とを含み、
前記入力端子と、光電素子の電源端子に直列に接続される前記出力端子の間に、
ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路からなる第１の分岐であって、その受動整流回路がその第１の分岐内において直列をなし、光電素子の前記電源端子に対して順方向をなす第１の分岐と、
第２の容量性分岐、とりわけもっぱら容量性の分岐、とが互いに並列につながれていることを特徴とする駆動回路に関する。
【０００９】
「受動整流回路」とは、受動電子素子のみで構成される整流回路をいい、とりわけトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなど）を含まないものをいう。実に意外なことに、このようなパルス成形回路は、全くもって単純なその作りにもかかわらず、説明不可能な驚異的な結果をもたらすことがわかった。
【００１０】
とりわけ、有利には、本発明によれば、ゼロでない閾値電圧を有する前記受動整流回路は（つまり前記第１の分岐は）、前記第１分岐内において直列をなす少なくとも１つのダイオードを含み、とりわけ、少なくとも前記第１分岐内で直列をなす少なくとも１つのダイオードから形成され、光電素子の電源端子に対して順方向をなす。
【００１１】
より詳細には、有利には、本発明によれば、ゼロでない閾値電圧を有する前記受動整流回路は、０．５Ｖ以上の全閾値電圧と５０Ω以下の動的抵抗を有する。
【００１２】
第１の実施形態では、有利には、本発明によれば、ゼロでない閾値電圧を有する前記受動整流回路は（つまり前記第１の分岐は）、少なくとも１つのショットキーダイオードを含む。より詳細には、ゼロでない閾値電圧を有する前記受動整流回路は（つまり前記第１の分岐は）、少なくとも１つのショットキーダイオード、とりわけ直列の複数のショットキーダイオードから形成される。第１の分岐のショットキーダイオードの全閾値合計を増やすと、バイアス電圧がかかった状態での動作時に第２の容量性分岐に蓄えられる電荷を増やすことができる。ただし、この増大は、第１の分岐の動的抵抗の増大も同時に伴うので、それによって駆動電流値が犠牲となる。
【００１３】
有利には、本発明によれば、第１の分岐は直列の２つのショットキーダイオードからなる。実際のところ、この値は、特に市販のＬＥＤダイオードからなる光電素子の駆動ため、多くの状況での１つの折衷的な値をなすものであることがわかる。
【００１４】
さらに、有利には、本発明によれば、それぞれのショットキーダイオードは、約０．３Ｖから０．３５Ｖの閾値電圧、約６Ωの動的抵抗および約１０ＧＨｚの通過帯域を有する。
【００１５】
もう１つの実施形態では、有利には、本発明によれば、閾値電圧がゼロでない前記受動整流回路は（つまり前記第１の分岐は）、少なくとも１つのＰＩＮダイオードを含む。より詳細には、ゼロでない閾値電圧を有する前記受動整流回路は（つまり前記第１の分岐は）、例えば、約０．９Ｖから１Ｖの閾値電圧、約０．５Ωから１Ωの動的抵抗および約１ＧＨｚから５ＧＨｚの通過帯域を有するＰＩＮダイオードなど、少なくとも１つのＰＩＮダイオード、とりわけただ１つのＰＩＮダイオードからなる。
【００１６】
変形形態では、ゼロでない閾値電圧を有する前記受動整流回路は（したがって前記第１の分岐は）、たとえば直列をなす１つのショットキーダイオードと１つのＰＩＮダイオードなど、種類の異なる複数の素子からなるものであってよい。
【００１７】
また、有利には、本発明によれば、第２の分岐の静電容量は、ゼロ電圧時の光電素子の静電容量の０．２倍から２倍の間である。第２の分岐は、前記入力と前記出力端子の間のその静電容量の値との比較においてその抵抗およびインダクタンスの値は無視できるものであるという意味で、もっぱら容量性の分岐である。また、第２の分岐のこの直列静電容量は、あらゆる静電容量素子、とりわけ単一のコンデンサまたは複数のコンデンサの組み合わせからなることが可能であることにも留意する必要がある。
【００１８】
有利には、本発明によれば、第２の分岐の静電容量は、１０ｐＦから２００ｐＦまでの範囲である。この値は、光電素子に応じて、テストによる実験により決定される。
【００１９】
また、好ましくは、とりわけ光電素子がＬＥＤからなる場合には、電圧矩形波発生器は、ピーク振幅が０Ｖから４Ｖまでの範囲、持続時間が２５０ｐｓから４ｎｓまでの範囲の電圧矩形波を発生するように適合される。
【００２０】
さらに、有利には、本発明によれば、電圧矩形波発生器は、第１の分岐の全閾値電圧を下回り、とりわけ、第１の分岐の（ショットキーおよび／またはＰＩＮ）ダイオードおよび光電素子のそれぞれの光電ダイオードの閾値電圧の総和を下回り、値のバイアス直流電圧Ｖｃを供給するように適合される。有利な実施形態では、本発明によれば、電圧矩形波発生器は、０Ｖから３Ｖまでの範囲のバイアス直流電圧Ｖｃを供給するように適合される。
【００２１】
パルス成形回路は、光電素子に対して直列に接続されること、したがって光電素子の陽極に直列に、または陰極に直列につなぐことができることに留意する必要がある。そのため、パルス成形回路の前記出力端子は、光電素子の陽極に接続するための端子であることができ、光電素子の陰極は電圧矩形波発生器の負端子に接続される。変形形態では、パルス成形回路の前記出力端子は、反対に光電素子の陰極に接続するための端子であることができ、光電素子の陽極は電圧矩形波発生器の正端子に接続される。いずれの場合も、ゼロでない閾値電圧を有する前記整流回路  −  とりわけそれぞれのショットキーまたはＰＩＮダイオード  −  は、パルス成形回路が接続される光電素子の電源端子に対して順方向につなぐ。
【００２２】
また、有利には、本発明によれば、電圧矩形波発生器は、静電記憶スイッチングダイオード（英語では「ステップ・リカバリ・ダイオード」）を用いた電圧矩形波成形装置を含む。実際、静電記憶スイッチングダイオードを用いたこうした装置は、本発明に基づくパルス成形回路と組み合わせることで、実に驚異的な結果をもたらすことが示された。
【００２３】
好ましくは、電圧矩形波発生器は、前記電圧矩形波成形装置に対して供給を行う周期信号発生器を含む。
【００２４】
本発明は、また、前述または後述の特徴のすべてまたは一部を組み合わせたものを特徴とする回路にも関する。
【００２５】
本発明のその他の目的、特徴および利点は、もっぱら非限定的な例としてのみ与えられる本発明の様々な実施形態について添付の図面を参照して行う以下の説明を読めば明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ＬＥＤに接続した本発明による駆動回路を示したブロック図である。
【図２ａ】本発明による駆動回路のパルス成形回路の３つの実施例の電子回路図である。
【図２ｂ】本発明による駆動回路のパルス成形回路の３つの実施例の電子回路図である。
【図２ｃ】本発明による駆動回路のパルス成形回路の３つの実施例の電子回路図である。
【図３】本発明による駆動回路の電圧矩形波成形回路の実施形態の電子回路図である。
【図４】図３の電圧矩形波成形モジュールの出力側に供給される電圧矩形波の波形を示すグラフである。
【図５】バイアス電圧なしのＬＥＤの正規化エレクトロルミネセンス強度の発現曲線を使用駆動回路別に示すグラフである。
【図６】バイアス電圧印加時のＬＥＤの正規化エレクトロルミネセンス強度の減衰曲線を使用駆動回路別に示すグラフである。
【図７】可視領域で放射する第１のＬＥＤの強度／電圧特性曲線を示すグラフである。
【図８】第１のＬＥＤの接合容量／電圧特性曲線を示すグラフである。
【図９】パルスモードにおける第１のＬＥＤの正規化エレクトロルミネセンス強度の変化曲線を使用駆動回路別に示すグラフである。
【図１０】紫外領域で放射する第２のＬＥＤの強度／電圧特性曲線を示すグラフである。
【図１１】第２のＬＥＤの接合容量／電圧特性曲線を示すグラフである。
【図１２】パルスモードにおける第２のＬＥＤの正規化エレクトロルミネセンス強度の変化曲線を示すグラフである。
【図１３】本発明による回路によって高周波駆動される第１のＬＥＤのエレクトロルミネセンスの経時変化を示すグラフである。
【図１４】８５０ｎｍで放射する第３のＬＥＤに関する図１３に類似のグラフである。
【図１５】４０ＭＨｚの第４のＬＥＤの正規化エレクトロルミネセンス強度の変化曲線を使用駆動回路別に示すグラフである。
【図１６】３００ＭＨｚの第４のＬＥＤの正規化エレクトロルミネセンス強度の変化曲線を使用駆動回路別に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１の例では、本発明による駆動回路１１は、ＬＥＤ１２の端子（陽極１３および陰極１４）に接続されている。この駆動回路１１は、周期信号発生器１５と、発生器１５から供給される信号を用いる電圧矩形波成形回路１６と、電圧矩形波成形回路１６から供給される電圧矩形波を用いるＬＥＤ１２の制御パルス成形回路１７とを順に含む。
【００２８】
パルス成形回路１７の実施形態は、図２ａから２ｃに、より詳細に示されている。
【００２９】
この回路１７は、ＬＥＤ１２の陽極１３に接続された端子１８ａと、ＬＥＤ１２の陰極１４に接続された端子１８ｂとを含む出力１８を含む。回路１７は、２つの端子１９ａ、１９ｂを含む入力１９を同様に含み、それぞれの端子は電圧矩形波発生器１５の対応する出力端子に接続される。
【００３０】
回路１７は、入力端子１９ａまたは１９ｂとそれに対応する（すなわち同じ極性の）出力端子１８ａまたは１８ｂの間に、互いに並列につながれた２つの分岐２０、２１を含む。もう一方の入力端子１９ｂまたは１９ａは、対応するもう一方の出力端子１８ｂまたは１８ａと直接接続される。
【００３１】
第１の分岐２０は、ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路であって、とりわけ、その分岐２０内において直列に、かつＬＥＤ１２に対して順方向に備わる少なくとも１つのダイオード２２ａ、２２ｂ、４２によって構成される受動整流回路からなる。
【００３２】
図２ａの第１の実施形態では、２つの分岐２０、２１は、つまり、正極性の出力端子１８ａは、ＬＥＤ１２の陽極１３に接続され、その陽極１３はＬＥＤ１２の電源端子として働く。ＬＥＤ１２の陰極１４は、もう一方の負極性の出力端子１８ｂに対して直接、つまり、負極性の入力端子１９ｂに対しても接続される。第１の分岐２０は、第１の分岐２０内において直列に、かつＬＥＤ１２に対して順方向に備わる少なくとも１つのショットキーダイオード２２ａ、２２ｂによって構成される。
【００３３】
図２ｂに示す第２実施形態では、２つの分岐２０、２１、および負極性の出力端子１８ｂは、ＬＥＤ１２の陰極１４に接続され、その陰極１４はＬＥＤ１２の電源端子として働く。ＬＥＤ１２の陽極１３は、もう一方の正極性の出力端子１８ａに対して直接、つまり、正極性の入力端子１９ａに対しても接続される。
【００３４】
図２ｃに示される第３の実施形態は、図２ａの第１の実施形態とほぼ同じであり、第１の分岐２０が、第１の分岐２０内において直列に、かつＬＥＤ１２に対して順方向に備わるＰＩＮ（「正・真性・負」）ダイオード４２からなる点だけが異なる。
【００３５】
いずれにせよ、どのショットキーダイオード２２ａ、２２ｂ、ＰＩＮダイオード４２も、順方向に、すなわちＬＥＤ１２と同じ方向に備わる。
【００３６】
それぞれのショットキーダイオード２２ａ、２２ｂは、典型的には約０．３Ｖから０．３５Ｖの閾値電圧、約６Ωの動的抵抗および約１０ＧＨｚの通過帯域を有する。好ましくは、第１の分岐２０のショットキーダイオード２２ａ、２２ｂの数は、その第１の分岐２０の全閾値電圧が０．５Ｖ以上、とりわけ約０．６から０．７Ｖ、動的抵抗が５０Ω以下、とりわけ約２０Ωとなるように適合される。それぞれのＰＩＮダイオード４２は、約０．９Ｖから１Ｖの閾値電圧、約０．５Ωから１Ωの動的抵抗および約１ＧＨｚから５ＧＨｚの通過帯域を有する。
【００３７】
図２ａおよび２ｂに示す最初の２つの好ましい実施形態では、第１の分岐２０は直列の２つの同じショットキーダイオード２２ａ、２２ｂを含む。図２ｃに示す第３の好ましい実施形態では、第１の分岐２０は、閾値電圧０．９５Ｖ、通過帯域３ＧＨｚ、動的抵抗０．８５ΩのＰｈｉｌｉｐｓ（登録商標）製シリコンダイオード（参照番号ＢＡＰ１３２１−０４）などの単一のＰＩＮダイオード４２を含む。
【００３８】
第２の分岐２１は、入力端子１９ａまたは１９ｂと出力端子１８ａまたは１８ｂの間にあって、ショットキーダイオード２２ａ、２２ｂと並列をなす容量性分岐、すなわち、所定の値Ｃｐの静電容量を示す分岐である。第２の分岐２１は、もっぱら容量性であること、すなわち、入力端子１９ａまたは１９ｂと出力端子１８ａまたは１８ｂの間におけるそのインピーダンスの抵抗要素およびインダクタンス要素は無視することができることが好ましい。容量性の第２の分岐２１の静電容量Ｃｐの値は適当なあらゆる方法によって得ることができる。最も単純な方法は、予め第２の分岐２１が、入力端子１９ａまたは１９ｂと出力端子１８ａまたは１８ｂの間に備わるコンデンサ２３によって形成されるようにすることである。
【００３９】
第１の分岐２０のショットキーダイオードの数は２でなくてもよい。この数は、以下の間で最良の折り合いをつける形で決定される。
−  第２の容量性分岐２１に蓄えられる電荷Ｑであって、バイアス電圧下の最大値が次式で表される電荷Ｑ、すなわち
Ｑ＝ｎ．Ｖｓ．Ｃｐ
ただし、ｎはショットキーダイオードの数であり、
Ｖｓはそれぞれのショットキーダイオードの閾値電圧で、典型的には約０．３Ｖから０．３５Ｖである。
−  供給される制御パルスの最大電流値。この電流は、ショットキーダイオード２２ａ、２２ｂの動的抵抗の総和が小さいほど、すなわちｎが小さいほど、大きくなる。パルスの最大電流値が大きいほど、ＬＥＤ１２によって放射される光出力は大きくなる。
【００４０】
また、第２の容量性分岐２１の静電容量Ｃｐ値は、１０ｐＦから２００ｐＦまでの範囲であり、駆動される光電素子（ＬＥＤ１２）が有する接合容量Ｃｊに適合するように最適化される。
【００４１】
ＬＥＤ１２のゼロ電圧時の接合容量をＣｊ０とすると、静電容量Ｃｐは０．２・Ｃｊ０から２・Ｃｊ０の範囲、すなわち市販のＬＥＤで５ｐＦから５０ｐＦの範囲、とりわけ約１０ｐＦから２０ｐＦの範囲で選ぶことができる。その上で、順次試験を行うことによって最適化を実現しなければならないが、これは、接合容量ＣｊはＬＥＤ１２の端子間に印加される電圧に依拠し、電気的線形運動を示すわけでない。
【００４２】
本発明による回路では、制御パルス成形回路には、４００ｐｓ以下、典型的には５０ｐｓから４００ｐｓの範囲、たとえば約１００ｐｓから３５０ｐｓのきわめて短い時間τｒ、τｆの立上がりエッジおよび立下がりエッジを有する電圧矩形波が供給されなければならない。それぞれの電圧矩形波で電圧が一定部分の持続時間τｐは、矩形波のそれぞれのエッジの時間よりも長く、２５０ｐｓから４ｎｓの範囲である。
【００４３】
それぞれの電圧矩形波の電圧の最大振幅Ｖｍａｘは、０Ｖから４Ｖの範囲、たとえば約２Ｖであり、好ましくは調節可能である。
【００４４】
周期信号発生器１５および電圧矩形波成形回路１６は、上述のような電圧矩形波発生器１５、１６を構成する。
【００４５】
周期信号発生器１５は、たとえば市販の正弦波信号発生器であり、その周波数が電圧矩形波の周波数を、したがって光電素子１２に印加されなければならない制御パルスの周波数を決定する信号を供給する。たとえば、周期信号発生器１５は、周波数が、科学計測器における本発明の利用では１Ｈｚから２ＧＨｚの範囲、とりわけ１Ｈｚから８０ＭＨｚの範囲、光通信の分野における本発明の利用では６００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲で、振幅が０Ｖから１０Ｖの範囲、とりわけ約５Ｖの信号を供給できるように選ばれる。
【００４６】
図３は、電圧矩形波成形回路１６の１つの実施形態の回路図である。この回路は、発生器１５から供給される周期信号を受け取るＳＭＡ同軸入力３１、並列抵抗器ＲＩ、直列に順方向につながれた静電記憶スイッチングダイオード（「ＳＲＤ」と呼ばれるダイオード）３２、長さ調整可能な半剛性ケーブルで構成することができる可変遅延線３３、直列に順方向につながれたショットキーダイオード３４、並列抵抗器Ｒ２、静電容量Ｃ１の直列コンデンサ、並列に逆方向に備わるショットキーダイオード３５、静電容量Ｃ２の並列フィルタコンデンサ経由で直流バイアス電圧源Ｖｃから供給を受ける並列インダクタンスＬ１、およびＳＭＡ同軸出力３６を順に含む。
【００４７】
たとえば、回路１６は以下の値で実現される。すなわち、Ｒ１＝５６Ω、Ｒ２＝１００Ω、Ｃ１＝４７０ｎＦ、Ｌ１＝３３μＨ、Ｃ２＝１００ｎＦ。
【００４８】
図４は、回路１６の出力３６に与えられる電圧矩形波の波形を示したものである。
【００４９】
本発明が科学計測器ライン（時間分解蛍光、分子の光学的検出、タンパク質の蛍光など）で使用されるパルス光源の駆動を目的とする場合は、その光源は低い繰返し周波数によるパルス動作で駆動される必要がある。その場合には、それぞれの光パルスの幅をできるだけ短くすることと、光出力をできるだけ高くすることとの間で折り合いをつけるのがよい。
【００５０】
本発明が短距離通信に使用されるパルス光源の駆動を目的とする場合は、その光源は非常に高い繰返し周波数によるパルス動作で駆動される必要がある。その場合には、繰返し周波数をできるだけ高くすることと、光出力をできるだけ高くすることとの間で折り合いをつけるのがよい。
【００５１】
実際には、本発明の用途に応じて、回路１６によって生成される矩形波電圧に重畳されるバイアス電圧Ｖｃの値を調整して、最良の折り合いが得られるようにする。
【００５２】
電圧矩形波発生器１５、１６の性能は、周期信号発生器１５によって与えられる電圧および電圧矩形波成形回路１６の静電記憶スイッチングダイオード３２の特性に特に依る。以下に説明する例では、ＡとＢの２つの異なる構成が利用された。
【００５３】
構成Ａ。立上がり時間が３５ｐｓの静電記憶スイッチングダイオード３２（例えば、Ａｅｒｏｆｌｅｘ  Ｍｅｔｅｌｉｃｓ社（ＮＨ  ０３０５３、ＵＳＡ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｅｒｏｆｌｅｘ．ｃｏｍ／ａｍｓ／ｍｅｔｅｌｉｃｓ）が販売する参照番号ＭＭＤＢ８３０−Ｅ２８のＳＲＤダイオード）を使用する。回路１６は、０から９０ｍＶの可変有効振幅を有する正弦波信号発生器１５による供給を受ける。必要とあれば、たとえばＭｉｎｉｃｉｒｃｕｉｔ  ＺＨＬ−４２Ｗ（ｈｔｔｐ：／／ｍｉｎｉ−ｃｉｒｃｕｉｔ．ｃｏｍ、図示せず）型の増幅器によって振幅を増幅することができる（利得３０ｄＢ）。回路１６によって生成されるそれぞれの矩形波の立上がり（立下がり）時間は１００から２００ｐｓの範囲であり、矩形波の持続時間は２５０ｐｓから２ｎｓの範囲（遅延線３３の長さによる）である。最大出力電圧Ｖｍａｘ（ピークピーク値）は約３Ｖで、繰返し周波数は約６００ＭＨｚから１．１ＧＨｚである。この構成Ａは、低周波数の科学計測器ラインにおける本発明の用途および高周波数通信における本発明の用途に用いることができる。
【００５４】
構成Ｂ。立上がり時間が７０ｐｓの静電記憶スイッチングダイオード３２（例えば、Ａｅｒｏｆｌｅｘ  Ｍｅｔｅｌｉｃｓ社（ＮＨ  ０３０５３、ＵＳＡ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｅｒｏｆｌｅｘ．ｃｏｍ／ａｍｓ／ｍｅｔｅｌｉｃｓ）が販売する参照番号ＳＭＭＤ８３５−Ｅ２８のＳＲＤダイオード）を使用する。回路１６は、それぞれの矩形波の立上がりおよび立下がり時間（信号がその最終値の１０％から９０％に変化するまでを測定した時間）が約３ｎｓ、低位が−０．６Ｖから−７Ｖの範囲で可変、高位が３Ｖであり、矩形波の持続時間が約２０ｎｓである矩形波信号発生器１５による供給を受ける。電圧矩形波成形回路１６によって生成されるそれぞれの矩形波の立上がり（立下がり）時間は２００から３００ｐｓの範囲であり、矩形波の持続時間は遅延線３３の長さに応じて０．５ｎｓから４ｎｓの範囲である。最大出力電圧Ｖｍａｘ（ピークピーク値）は約４Ｖで、最大繰返し周波数は約２００ＭＨｚである。この構成Ｂは、科学研究の計測器ラインにおける本発明の用途、および低繰返し周波数（１００ＭＨｚ以下）の市販ＬＥＤのエレクトロルミネセンスの立上がりおよび減衰時間の特性評価の目的で使用することができる。
【００５５】
実施した試験では、本発明による駆動回路による供給を受けるＬＥＤ１２のエレクトロルミネセンスは超高速検出器を使って測定される。この検出器は、浜松ホトニクス（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈａｍａｍａｔｓｕ．ｃｏｍ）から「ｓｔｒｅａｋｓｃｏｐｅ  Ｃ４３３４」の参照番号で販売されているストリークカメラに、同じ会社からＳ２０（Ｃ４３３４−０２）の参照番号で販売されている光電陰極を装備したものからなる。時間分解能はどの走査スケールを選ぶかによって異なる。すなわち、走査スケールが１ｎｓのときは２５ｐｓであり、５ｎｓのときは１２５ｐｓである。検出器は、ＬＥＤに送られる電気パルスに対して同期される。ＬＥＤのエレクトロルミネセンスは第１のレンズによって集められ、第２のレンズによってスペクトロメータ内に焦点を結ぶ（焦点距離：２５ｃｍ、格子６００本／ｍｍ、分散５ｎｍ／ｍｍ）。光は次いで検出器の入力スリットに焦点を結ぶ。従って、測定される信号は、時間および波長によるルミネセンス強度である。そして、放射のスペクトル幅全体にわたって数値積分することにより、時間によるルミネセンス強度を得ることができる。電流は、ＬＥＤ１２と直列の１Ωの負荷抵抗器により、その抵抗器の両端子に並列につないだオシロスコープで測定し、電流検出配線の通過帯域は約２ＧＨｚである。
【実施例１】
【００５６】
実施例１：バイアスなしでの動作
この実施例では、構成Ｂを使って、浜松ホトニクス（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈａｍａｍａｔｓｕ．ｃｏｍ）からＬ９９０７の参照番号で販売されている放射波長６５０ｎｍのＬＥＤ１２を駆動した。このＬＥＤの特性を図７および８に示す。その閾値電圧は１．７Ｖである。電圧ゼロ時のその静電容量Ｃｊ０は６ｐＦである。
【００５７】
制御パルス成形回路１７は図２ａに従ったもので、２つのショットキーダイオードを備える。Ｖｃ＝０Ｖ、τｒ＝τｆ＝３５０ｐｓ、τｐ＝４ｎｓ、Ｖｍａｘ＝１．５Ｖとした。
【００５８】
図５の曲線Ｃ１は、Ｃｐ＝１００ｐＦであるときの本発明による回路によって得られるものである。図５の曲線Ｃ２は、Ｃｐ＝２２ｐＦであるときの本発明による回路によって得られるものである。
【００５９】
比較実験として、本発明による制御パルス成形回路１７を３３Ωの直列抵抗器に置き換えた本発明によらない回路では、図５の曲線Ｃ３が得られる。
【００６０】
エレクトロルミネセンスが最初に発現する瞬間およびエレクトロルミネセンスの立上がり時間は、ＬＥＤ１２の静電容量Ｃｊの充電によって制御される。ここで見て取れるように、本発明は、エレクトロルミネセンスの発現所要時間とエレクトロルミネセンスの立上がり所要時間をともに短縮することができる。
【００６１】
バイアス電圧Ｖｃがゼロのとき、エレクトロルミネセンスの減衰所要時間は、どの場合も、基本的に静電容量Ｃｊが放電するときの活性領域外の電荷担体の走査に依る。
【実施例２】
【００６２】
実施例２：バイアス電圧がゼロでないときの減衰所要時間
ゼロでないバイアス電圧ＶｃがＬＥＤ１２に供給されると、静電容量Ｃｊの充電および放電の段階が不要となる。その場合、そのバイアス電圧によってすでにＬＥＤの閾値電圧に到達しているため、制御パルス電圧の振幅をより小さくすることができる。この動作モードは、高周波数用途では特に興味深い。
【００６３】
ただし、その場合、ＬＥＤのエレクトロルミネセンスの減衰時間は、もはや活性領域外の電荷担体の走査時間ではなく、基本的には電荷担体の寿命に依る。そのため、このエレクトロルミネセンスの減衰時間はより長くなる。
【００６４】
それでも、本発明は、図６の例が示すように、バイアス下でのエレクトロルミネセンスの減衰時間を短縮することができる。
【００６５】
この実施例では、実施例１と同じＬＥＤを使用した。制御パルス成形回路１７は１つのショットキーダイオードを備える。Ｖｃ＝１．４Ｖ、τｒ＝τｆ＝３５０ｐｓ、τｐ＝４ｎｓ、Ｖｍａｘ＝０．６Ｖとした。
【００６６】
図６の曲線Ｃ４は、Ｃｐ＝１００ｐＦであるときの本発明による回路によって得られるものである。
【００６７】
比較実験として、本発明による制御パルス成形回路１７を３３Ωの直列抵抗器に置き換えた回路では、図５の曲線Ｃ５が得られる。
【００６８】
ここで見て取れるように、エレクトロルミネセンスの最大値の９０％から１０％までの間で測定される減衰時間は、本発明による駆動回路では約１．６ｎｓであるのに対して、比較実験では３．５ｎｓである。
【００６９】
全般的に最もよい結果が得られたのは、ＬＥＤ１２とショットキーダイオードの閾値電圧の総和を下回るバイアス電圧Ｖｃを用いた場合であった。
【実施例３】
【００７０】
実施例３：低い繰返し周波数での動作
この例では、実施例１と同じＬＥＤを使用する。
【００７１】
構成Ａに従った発生器１５、１６を有する本発明に従った駆動回路を用いて試験を行う。制御パルス成形回路１７は図２ａに従ったもので、２つのショットキーダイオードを備える。Ｖｃ＝１．９２Ｖ、τｒ＝τｆ＝２００ｐｓ、τｐ＝０．５ｎｓ、Ｖｍａｘ＝０．９Ｖとした。パルス繰返し周波数は８０ＭＨｚである。ＬＥＤの駆動電流は１００ｍＡである。ピークピーク出力は２０６μＷである。
【００７２】
図９の曲線Ｃ６は、ＬＥＤから放射される正規化エレクトロルミネセンス強度を示しており、Ｃｐ＝１０ｐＦのときの本発明による回路によって得られるものである。
【００７３】
比較実験として、本発明による制御パルス成形回路１７のショットキーダイオードを３０Ωの直列抵抗器に置き換え、Ｖｃ＝１．５Ｖ、Ｖｍａｘ＝０．７５Ｖ、駆動電流１００ｍＡ、ピークピーク出力１０５μＷとした回路では、図９の曲線Ｃ７が得られる。すなわち、曲線Ｃ７は、本発明によらない公知の並列Ｒ−Ｃパルス成形回路で得られる結果を示すものである。
【００７４】
下の表１は、この実施例で得られた様々な結果を示したものである。
【００７５】
2013512636.tif 000003
【００７６】
本発明によるショットキーダイオードおよび並列静電容量式の駆動回路と、並列Ｒ−Ｃ式駆動回路の比較では、同じ電流に対して、本発明による駆動回路は、
−  初期強度ピーク効果がより大きく、そのために光出力がより高くなる（最大２倍）。
−  光パルス持続時間がより短くなる（２０％まで）。
【００７７】
こうした予想外の結果に対して何ら明確な説明を与えることはできない。
【００７８】
その一方で、本発明による駆動回路によって得られる性能は、それよりもはるかに高価で温度感受性の高い能動素子に基づく先行技術の駆動回路によって得られるものと同様のものである。
【００７９】
そのため、本発明は、とりわけ科学研究用の計測器で光電素子の駆動用として比較的低い周波数できわめて短いパルスを生成するように利用することができる。
【実施例４】
【００８０】
実施例４：紫外線ＬＥＤ
この実施例は実施例３とほぼ同じであるが、その実施には、紫外線を放射するＬＥＤ１２、すなわち、Ｈｅｒｏ−Ｌｅｄ社（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｅｒｏ−ｌｅｄ．ｃｏｍ）からＨＵＶ４００−５Ｘ０Ｂの参照番号で販売されているＬＥＤが使用された。このＬＥＤの特性は図１０および図１１に示すとおりである。その閾値電圧は２．７５Ｖである。電圧ゼロ時のその静電容量Ｃｊ０は１２５ｐＦである。その放射中心波長は４００ｎｍで、スペクトル幅は２０ｎｍである。
【００８１】
構成Ａとして、Ｖｃ＝２．７Ｖ、τｒ＝τｆ＝２００ｐｓ、τｐ＝０．５ｎｓ、Ｖｍａｘ＝３Ｖとした。パルス繰返し周波数は８０ＭＨｚである。ＬＥＤの駆動電流は３００ｍＡである。ピークピーク出力は１８００μＷである。制御パルス成形回路１７は２つのショットキーダイオードとＣｐ＝２２ｐＦを備える。
【００８２】
図１２は、パルスモードでＬＥＤから放射される正規化エレクトロルミネセンス強度を示した曲線Ｃ８である。
【００８３】
下の表２は、この実施例で得られた様々な結果を示したものである。
【００８４】
2013512636.tif 000004
【実施例５】
【００８５】
実施例５：高周波数動作
この実施例では、本発明に従った駆動回路により、ピークピーク出力２０μＷから１００μＷで５００ＭＨｚから１ＧＨｚの大信号変調が可能であることを示す。
【００８６】
構成Ａに従った発生器１５、１６を有する本発明に従った駆動回路を用いて、実施例１と同じＬＥＤ１２で試験を行う。制御パルス成形回路１７は図２ａに従ったもので、２つのショットキーダイオードを備える。Ｖｃ＝０．６Ｖ、τｒ＝τｆ＝２００ｐｓ、τｐ＝０．５ｎｓ、Ｖｍａｘ＝２．５Ｖ、Ｃｐ＝１０ｐＦとした。パルス繰返し周波数は１ＧＨｚである。ＬＥＤの駆動電流は７５ｍＡである。ピークピーク出力は４５μＷである。
【００８７】
図１３は、正規化エレクトロルミネセンス強度の変化を時間に従って示したものである。
【００８８】
下の表３は、このＬＥＤを用いて得られた様々な結果を示したもので、これには、実施例３と同様に並列Ｒ−Ｃ駆動回路を用いて行った比較実験の結果も含む。
【００８９】
2013512636.tif 000005
【実施例６】
【００９０】
実施例６：８５０ｎｍのＬＥＤ
この実施例は実施例５とほぼ同じであるが、使用するＬＥＤ１２が異なり、Ｏｐｔｅｋ社（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｅｋｉｎｃ．ｃｏｍ）からＯＰ２４５ＰＳの参照番号で販売されているＬＥＤであって、８５０ｎｍの波長で放射し、閾値電圧１．５Ｖ、電圧ゼロ時の静電容量Ｃｊ０が５０ｐＦであるＬＥＤを使用する。このような波長は、光ケーブル通信用として特に有利である。
【００９１】
構成Ａに従った発生器１５、１６を有する本発明に従った駆動回路を用いて実験を行う。制御パルス成形回路１７は図２ａに従ったもので、２つのショットキーダイオードを備える。Ｖｃ＝０Ｖ、τｒ＝τｆ＝２００ｐｓ、τｐ＝０．５ｎｓ、Ｖｍａｘ＝３Ｖ、Ｃｐ＝１０ｐＦとした。パルス繰返し周波数は６００ＭＨｚである。ＬＥＤの駆動電流は１００ｍＡである。ピークピーク出力は２０μＷである。平均出力は８μＷである。
【００９２】
図１４は、正規化エレクトロルミネセンス強度の変化を時間に従って示したものである。
【実施例７】
【００９３】
実施例７
この実施例は実施例３とほぼ同じであるが、Ｒｏｉｔｈｎｅｒ社（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｏｉｔｈｎｅｒ−ｌａｓｅｒ．ｃｏｍ）からＲＣＸＲ６５−ＲＳＰＯＵの参照番号で販売されているＬＥＤと、３つの異なる制御パルス成形回路、すなわち、ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路を含み、その受動整流回路が２つのショットキーダイオードを備える図２ａに従った第１の回路１７と、ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路を含み、その受動整流回路が１つのＰＩＮダイオードを備える図２ｃに従った第２の回路１７と、さらに、比較用として、ドライバなしにＬＥＤが駆動される（ただし、インピーダンス整合のために２８Ωの抵抗器をＬＥＤと直列に配置する）本発明によらない第３の回路とを使って実施された。
【００９４】
ＰＩＮダイオードは、０．９５Ｖの閾値電圧、３ＧＨｚの通過帯域、０．８５Ωの動的抵抗を有する。
【００９５】
ＬＥＤは、閾値電圧が１．７５Ｖで、電圧ゼロ時の接合容量Ｃｊ０が１３．５ｐＦである。その放射中心波長は６５０ｎｍである。
【００９６】
Ｖｃ＝１．５Ｖ、τｒ＝τｆ＝１００ｐｓ、τｐ＝１ｎｓ、Ｖｍａｘ＝５Ｖ、Ｃｐ＝２２ｐＦとした。回路１６は、振幅が最大１５０ｍＶの正弦波信号発生器１５による供給を受け、この実施例におけるパルス繰返し周波数は４０ＭＨｚである。
【００９７】
図１５の曲線Ｃ９は、ＬＥＤから放射される正規化エレクトロルミネセンス強度を示しており、ショットキーダイオードを用いた本発明による第１の回路によって得られるものである。図１５の曲線Ｃ１０は、ＬＥＤから放射される正規化エレクトロルミネセンス強度を示しており、ＰＩＮダイオードを用いた本発明による第２の回路によって得られるものである。
【００９８】
比較実験として、本発明によらない第３の回路では、図１５の曲線Ｃ１１が得られる。
【００９９】
ここで見て取れるように、本発明に従った２つの回路によって得られる結果は似通ったものであり（光パルス持続時間は約１．３６ｎｓ）、本発明によらない回路で得られるものに対してきわめて顕著な違いと優位性を示す。
【実施例８】
【０１００】
実施例８
この実施例は実施例７とほぼ同じで、繰返し周波数が（実施例７の４０ＭＨｚではなく）３００ＭＨｚであるところが違っているのみである。
【０１０１】
図１６の曲線Ｃ１２は、ＬＥＤから放射される正規化エレクトロルミネセンス強度を示しており、ショットキーダイオードを用いた本発明による第１の回路によって得られるものである。図１６の曲線Ｃ１３は、ＬＥＤから放射される正規化エレクトロルミネセンス強度を示しており、ＰＩＮダイオードを用いた本発明による第２の回路によって得られるものである。
【０１０２】
比較実験として、本発明によらない第３の回路では、図１６の曲線Ｃ１３が得られる。
【０１０３】
ここでも、本発明に従った２つの回路によって得られる結果は、本発明によらない回路で得られるものに対してきわめて顕著な優位性を示す。また、ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路が２つの直列ショットキーダイオードによって構成される本発明に従った第１の回路で得られる結果は、ゼロでない閾値電圧を有する受動整流回路が１つのＰＩＮダイオードによって構成される本発明に従った第２の回路で得られる結果よりも優れている。光パルスの持続時間は、本発明に従った第１の回路では０．８７５ｎｓであり、本発明に従った第２の回路では０．８３９ｎｓであり、本発明によらない第３の回路では０．９６６ｎｓである。
【０１０４】
本発明は、上述の実施形態および実施例に対してきわめて多くの変形実施形態を持ちうるものであることは言うまでもない。とりわけ、本発明は、レーザーダイオードの駆動にも、その他のより複雑な光電素子の駆動にも適用することができる。
【図１】
2013512636.tif 000006
【図２ａ】
2013512636.tif 000007
【図２ｂ】
2013512636.tif 000008
【図２ｃ】
2013512636.tif 000009
【図３】
2013512636.tif 000010
【図４】
2013512636.tif 000011
【図５】
2013512636.tif 000012
【図６】
2013512636.tif 000013
【図７】
2013512636.tif 000014
【図８】
2013512636.tif 000015
【図９】
2013512636.tif 000016
【図１０】
2013512636.tif 000017
【図１１】
2013512636.tif 000018
【図１２】
2013512636.tif 000019
【図１３】
2013512636.tif 000020
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2013512636.tif 000023
【国際調査報告】
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2013512636.tif 000025
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