(57)【要約】【課題】ＬＥＤ等の発光素子の駆動回路において、簡易な構成で、消費電流も小さく、また発光素子の持っている遮断周波数より高い周波数成分の光信号が得られ、高速光通信を可能にする。【解決手段】光通信装置に備えられたＬＥＤ駆動回路において、等価増幅器１と電流逓倍回路２により、発光素子であるＬＥＤ（発光ダイオード）３の周波数特性と逆の周波数特性を持つ駆動部を構成する。また、駆動部は、ＬＥＤ３の遮断周波数ｆｃを極として略６ｄＢ／ｏｃｔの傾きで上昇するゲイン特性を持つ電流出力型の増幅器からなるようにし、さらに、該増幅器は、所望の周波数を生成する周波数生成部と、カレントミラー回路で構成された電流逓倍部よりなるようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子を駆動する駆動回路において、前記発光素子の周波数特性と逆の周波数特性を持つ駆動部を有することを特徴とする発光素子の駆動回路。
【請求項２】
前記駆動部は、発光素子の遮断周波数を極として略６ｄＢ／ｏｃｔの傾きで上昇するゲイン特性を持つ電流出力型の増幅器からなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子の駆動回路。
【請求項３】
前記増幅器は、所望の周波数を生成する周波数生成部と、カレントミラー回路で構成された電流逓倍部よりなることを特徴とする請求項２に記載の発光素子の駆動回路。
【請求項４】
発光素子を駆動する駆動方法において、前記発光素子の周波数特性と逆の周波数特性を持つ駆動部を通して発光素子を駆動するようにしたことを特徴とする発光素子の駆動方法。
【請求項５】
発光素子の遮断周波数を極として略６ｄＢ／ｏｃｔの傾きで上昇するゲイン特性を持つ電流出力型の増幅器からなる駆動部を通して発光素子を駆動するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の発光素子の駆動方法。
【請求項６】
請求項１ないし３何れか記載の発光素子の駆動回路を備えたことを特徴とする光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤやレーザーダイオードなど電流を光に変換する発光素子の駆動回路及び駆動方法並びに光通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光素子であるＬＥＤ（発光ダイオード）は、その扱い性のよさと安価なことから、家電製品のリモートコントロールユニットをはじめ、様々な光通信用途に使用されている。近年、通信速度の高速化が進んでいるが、このＬＥＤはその応答速度の限界から、最新の汎用プロトコル、例えばＩＥＥＥ１３９４規格の４００Ｍｂｐｓといった、高速通信に応用することが困難であった。
【０００３】
図６は従来の発光素子の駆動回路を示す図であり、光通信用の高速ＬＥＤ駆動回路の一例を示している。同図中、Ｑ１１はロジックドライバＩＣであり、送信すべきシリアルデータを「ｈｉｇｈ」、「Ｌｏｗ」のロジック電圧レベルで出力する。
【０００４】
このとき、ＬＥＤ１１から十分な光パワーを得るために、このドライバＩＣＱ１１は出力電流能力の大きなものが選ばれる。例えば、標準ＣＭＯＳロジックＩＣである７４ＡＣ０４が採用される。このＩＣは、出力振幅がほぼ電源電圧まで得られ、大駆動電流かつ高速動作が可能であり、最大１００Ｍｂｐｓまで使用可能である。また、場合によっては複数のドライバを並列接続し、電流能力を高めることが行われる。
【０００５】
Ｒ１１及びＲ１２は発光時の電流制限用抵抗であり、ＬＥＤ１１に流れる最大電流を制限する。すなわち、これらの抵抗Ｒ１１、Ｒ１２により駆動電圧Ｖｃｃが電流に変換されることになる。１２はＬＥＤ１１に接続した電圧Ｖｃｃの直流電源である。
【０００６】
Ｃ１１はスピードアップコンデンサとも呼ばれるコンデンサであり、発光開始時にこのコンデンサＣ１１に流れる電流は、元の駆動波形の微分成分として駆動電流に重畳され、ＬＥＤ１１のより高速な発光立ち上がりを促す。また、発光停止時にはその蓄積された電荷がドライバＩＣＱ１１の「ｈｉｇｈ」レベル電圧に加算され、ＬＥＤ１１に逆バイアス電圧として印加されることになり、ＬＥＤ内部の電荷を急速に消滅させる作用を持つ。
【０００７】
Ｒ１３はＬＥＤ１１の消灯時にある一定のバイアス電流を流す抵抗であり、ＬＥＤ１１の発光立ち上がり時間を短縮させる作用を持つ。この例は、簡素な構成で、高速光信号が得られる実用性の高い回路である。
【０００８】
図７は他の従来例の構成を示す回路図である。同図中、Ｑ１２、Ｑ１３は差動回路を構成するトランジスタであり、一方のトランジスタＱ１２には抵抗Ｒ１４が接続され、ＬＥＤ１１と接続されたもう一方のトランジスタＱ１３のベースには直流電源１４からバイアス電圧Ｖｂｉａｓが与えられる。また、両方のトランジスタＱ１２、Ｑ１３電流の合計が定電流源１５で決定される。
【０００９】
このとき、トランジスタＱ１２、Ｑ１３は飽和／遮断領域を使わない設定になっており、高速動作が可能である。また、トランジスタＱ１３のベースはバイアス電圧源に接続されているが、このトランジスタＱ１３はトランジスタＱ１２への入力信号と逆相の信号で駆動してもよい。
【００１０】
この他にも、ＬＥＤで高速光信号を得るために、以下のようなさまざまな提案がなされている。
【００１１】
（１）ＬＥＤにあらかじめバイアス電流あるいは電圧を印加しておき、信号駆動電流による発光の遅れを低減する（例えば、特許文献１〜６参照。）。
【００１２】
（２）信号から微分成分を抽出し、それを信号駆動電流に重畳することで、電流の変化を強調し、速度を上げる（例えば、特許文献２及び特許文献７〜１８参照。）。
【００１３】
（３）ＬＥＤの消灯時に外部から急速に電荷を吸い出す（例えば、特許文献１９〜２２参照。）。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−３２６５６９号公報
【特許文献２】
特開２０００−２３２２４０号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２８５４３号公報
【特許文献４】
特開平５−２９６５５号公報
【特許文献５】
特開昭６３−７７１７２号公報
【特許文献６】
特開昭６０−１８０２３２号公報
【特許文献７】
特開２０００−２９９４９８号公報
【特許文献８】
特開平１１−７４５６７号公報
【特許文献９】
特開平１１−４０８５５号公報
【特許文献１０】
特開平１０−２４２５２２号公報
【特許文献１１】
特開平１０−６５２１７号公報
【特許文献１２】
特開平９−１４８６３１号公報
【特許文献１３】
特開平７−１２２７８３号公報
【特許文献１４】
特開平５−１２１７８３号公報
【特許文献１５】
特開平５−９０６４２号公報
【特許文献１６】
特開平３−２７５７９号公報
【特許文献１７】
特開平２−２７２７７８号公報
【特許文献１８】
特開昭５８−１３７３４０号公報
【特許文献１９】
特開２０００−１０１０４７号公報
【特許文献２０】
特開平５−７１４４号公報
【特許文献２１】
特開平１−１３８７６６号公報
【特許文献２２】
特開昭６４−５０７８号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の駆動回路にあっては、次のような問題点があった。
【００１６】
微分成分を重畳させる方法（ピーキング手法という）に関しては、その定数の決定が困難であった。これは、ＬＥＤの発光、消灯、すなわちオン／オフ制御を基本に過渡特性を改善しようとする考え方に基づいていることに原因があると考えられる。つまり、ＬＥＤの本来の駆動電流（ピーキングによる過渡遷移終了後のレベル）を確保しつつ、微分電流を加算しなければならないことより、電源電圧、駆動回路の速度及び騒動能力などの制限から適切な時定数の設定が困難であることによる。
【００１７】
さらに、図６に示す回路の標準ロジックドライバＩＣは応答時間（立ち上がり及び立ち下り時間）が５ｎｓ程度であり、工夫をしても１００Ｍｂｐｓ（１ｂｉｔ＝１０ｎｓ）が限界である。
【００１８】
ただし、この駆動回路の限界は図７に示すような回路にすることにより改善できる。すなわち、図６に示す駆動回路ではＩＣ内部のトランジスタ（ＦＥＴを含む）は飽和領域、遮断領域まで動作しているが、これを能動領域のみで動作させるような設定にすれば高速動作が可能である。
【００１９】
しかし、図７を基本とした回路はＬＥＤを光らせるための電流の倍の電流源が必要であり、消費電流が大きくなってしまう。
【００２０】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、簡易な構成で、消費電流も小さく、また発光素子の持っている遮断周波数より高い周波数成分の光信号が得られ、高速光通信が可能な発光素子の駆動回路及び駆動方法並びに光通信装置を提供することを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発光素子の駆動回路は、発光素子の周波数特性と逆の周波数特性を持つ駆動部を有するようにしたものである。
また、上記駆動部は、発光素子の遮断周波数を極として略６ｄＢ／ｏｃｔの傾きで上昇するゲイン特性を持つ電流出力型の増幅器からなるようにし、さらに、該増幅器は、所望の周波数を生成する周波数生成部と、カレントミラー回路で構成された電流逓倍部よりなるようにしたものである。
【００２２】
本発明に係る発光素子の駆動方法は、発光素子の周波数特性と逆の周波数特性を持つ駆動部を通して発光素子を駆動するようにしたものであり、また、駆動部に発光素子の遮断周波数を極として略６ｄＢ／ｏｃｔの傾きで上昇するゲイン特性を持つ電流出力型の増幅器を用いるようにしたものである。
【００２３】
本発明に係る光通信装置は、上記の発光素子の駆動回路を備えるようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面について説明する。
【００２５】
本実施例では、発光素子の周波数特性に着目し、その逆のゲイン特性を持つ増幅器で駆動する構成としている。ここでは、発光素子としてＬＥＤを挙げ、このＬＥＤの周波数特性を理想特性に等価させるイコライザーアンプで駆動するようにしている。
【００２６】
図１は本発明の実施例の構成を示すブロック図であり、光通信装置に備えられたＬＥＤ駆動回路の基本的な構成を示している。この駆動回路は、等価増幅器１と電流逓倍回路２により、発光素子であるＬＥＤ（発光ダイオード）３の周波数特性と逆の周波数特性を持つ駆動部を構成するようにしたものである。
【００２７】
また、上記駆動部は、ＬＥＤ３の遮断周波数ｆｃを極として略６ｄＢ／ｏｃｔの傾きで上昇するゲイン特性を持つ電流出力型の増幅器からなるようにし、さらに、該増幅器は、所望の周波数を生成する周波数生成部と、カレントミラー回路で構成された電流逓倍部よりなるようにしている。
【００２８】
図２はある通信用のＬＥＤの周波数応答特性を示す図であり、周波数〔ＭＨｚ〕と相対ゲイン〔ｄＢ〕（１ＭＨｚ＝０ｄＢ）の関係を示している。よく知られているように、ＬＥＤなどの発光素子の周波数応答特性は、その半導体接合容量を主要因として、高い周波数ほど得られる光出力の振幅は低下してゆく。
【００２９】
一般に、低い周波数（この場合１ＭＨｚ）での振幅を基準として、−３ｄＢとなる周波数がｆｃ（遮断周波数）と定義される。この例の場合、遮断周波数ｆｃは４８ＭＨｚとなる。
【００３０】
また、このｆｃより高い周波数では、主要因である接合容量による１次遅れ系特性が現れ、−６ｄＢ／ｏｃｔに近い傾きで低下してゆく。本実施例では、この特性に着目している。
【００３１】
この特性は、ローパスフィルタの特性として見ることができる。つまり、このＬＥＤで通信を行おうとすると、このようなローパスフィルタが通信経路に挿入されると考えられる。したがって、この場合ベースバンドデジタル伝送可能な最大速度は、ナイキスト周波数の式ｆＮ＝１／２Ｔより求まり、ビットレート（伝送速度）は９６Ｍｂｐｓが上限と計算される。
【００３２】
図３は本実施例における増幅器の周波数応答特性の一例を示す図である。増幅器の周波数特性として基本的には、広帯域増幅器の特性であるが、ＬＥＤの遮断周波数転を低域遮断周波数の極とするＨＰＦ特性を併せ持っている。但し、増幅器としておのずと周波数に上限があり、その値は求める光の高域遮断周波数より高くなるように、回路構成、使用部品が設定される。
【００３３】
図４は本実施例のゲイン周波数応答特性を示す図であり、図２の特性のＬＥＤを図３の特性の増幅器で駆動した場合の総合周波数特性データである。
【００３４】
この特性より明らかなように、本実施例によりＬＥＤとしては約５０ＭＨｚであったｆｃがトータルで３４０ＭＨｚに大幅に改善している。その結果、ＬＥＤを使って、５００Ｍｂｐｓ以上の光伝送装置を実現することができた。
【００３５】
図５に本実施例のＬＥＤ駆動回路の具体的構成を示す。図６及び図７と同一符号は、同一構成要素を示している。１３はＶｒｅｆの基準電圧源である。
【００３６】
駆動すべき信号電圧は、抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱ１のベースに与えられる。ここで信号波形としては、いわゆるデジタル信号（パルス列）を想定するが、サイン波形をサブキャリアとする信号でも問題ない（広帯域増幅器であるのでフーリエ変換の考え方がそのまま適用できる）。
【００３７】
そして、トランジスタＱ１と抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びコンデンサＣ１で電圧を電流に変換するとともに、必要な周波数特性を得られるようにしている。
【００３８】
トランジスタＱ２とＱ３、及びＱ４はカレントミラー回路を構成している。この場合、トランジスタＱ２に流れる電流はトランジスタＱ３とＱ４にも同じ波形で流れ、それを合計した電流がＬＥＤ１１に流れる。
【００３９】
このように、カレントミラー回路により電流が整数倍できるので、上述の電圧電流変換回路に流す電流はＬＥＤ１１に流すべき電流の整数分の１でよい。したがって、消費電力が低減できるとともに、使用するトランジスタも定格電流の小さなものでよく、特性のよいものが得られにくいといわれるＰＮＰトランジスタも選択肢が広げられ、低コストで実現できる。
【００４０】
なお、カレントミラー回路の二次側のトランジスタは２個としたが、必要に応じて増やすことは問題ない。
【００４１】
また、トランジスタＱ２、Ｑ３、Ｑ４のエミツタにそれぞれ抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６が接続されているが、これらの抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６は各トランジスタＱ２、Ｑ３、Ｑ４のばらつき吸収を目的としたもので、この回路をモノリシックＩＣにしようとした場合など、ばらつきが無視できる場合には割愛することも可能である。その場合、トランジスタが接合型であれば、該トランジスタはエミッタサイズを変えることで、出力段の素子としては１つで実現可能であり、電流逓倍比は整数倍に限定されず、任意の比率が可能となる。
【００４２】
また、出力段をカレントミラー回路としたことで、信号レベルが「ＬＯＷ」であってもＬＥＤ１１に一定のバイアス電流を流すことは容易に実現できる。
【００４３】
以上のように、本実施例では、簡易な構成で、消費電流も小さく、またＬＥＤ１１の持っている遮断周波数より高い周波数成分の光信号が得られ、高速光通信が可能となる。
【００４４】
また、ＬＥＤ１１等の発光素子の遮断周波数ｆｃを超える伝送レートの発光素子駆動回路を実現することができる。例えば、遮断周波数ｆｃが１００ＭＨｚ以下のＬＥＤを使って、ＩＥＥＥ１３９４のＳ４００のような高速インターフェースのための駆動回路が可能である。このＳ４００の場合、伝送すべき信号は５００Ｍｂｐｓ（１ｂｉｔ＝２ｎｓ）となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡易な構成で、消費電流も小さく、また発光素子の持っている遮断周波数より高い周波数成分の光信号が得られ、高速光通信が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の構成を示すブロック図
【図２】ＬＥＤの周波数応答特性を示す図
【図３】増幅器の周波数応答特性を示す図
【図４】実施例のゲイン周波数応答特性を示す図
【図５】実施例の駆動回路の構成を示す図
【図６】従来の駆動回路の構成を示す図
【図７】他の従来例を示す回路図
【符号の説明】
１  等価増幅器
２  電流逓倍回路
３  ＬＥＤ（発光素子）
１１  ＬＥＤ
１２  直流電源
１３  基準電圧源
Ｑ１  トランジスタ
Ｑ２  トランジスタ
Ｑ３  トランジスタ
Ｑ４  トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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