(57)【要約】【課題】  広範囲の温度において緩和振動現象を抑制することが可能な半導体レーザ駆動回路を提供する。【解決手段】  半導体レーザ駆動回路１００は、半導体レーザ素子ＬＤ１と、半導体レーザ素子ＬＤ１に並列に接続された温度補償回路ＣＰ１と、を備え、温度補償回路ＣＰ１は、コンデンサ素子Ｃ１及びコンデンサ素子Ｃ１に直列に接続され正の温度特性を有する抵抗素子Ｒ１とを有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子に並列に接続された温度補償回路と、を備え、
前記温度補償回路は、コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子に直列に接続され正の温度係数を有する抵抗素子と、を有することを特徴とする半導体レーザ駆動回路。
【請求項２】
前記抵抗素子は、１０００〜５０００ｐｐｍ／℃  の温度係数を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ駆動回路。
【請求項３】
前記抵抗素子は、正の温度係数を有する感温抵抗素子、又は正の温度係数を有する感温抵抗器と前記感温抵抗器に直列もしくは並列に接続された抵抗器とを備えた合成抵抗素子であることを特徴とする請求項１又は２に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】
本発明は半導体レーザ駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体レーザ駆動回路として、半導体レーザ素子（半導体レーザダイオード）と、それに並列に接続された補償回路（分流回路）とを備えた半導体レーザ駆動回路が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この補償回路は、コンデンサ素子と抵抗素子とが直列に接続されたものである。この種の半導体レーザ駆動回路は、補償回路によって半導体レーザ素子の周波数特性を補償し、パルス信号送信の際に問題となる所謂緩和振動現象を抑制している。
【特許文献１】特開昭６０−１８７０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、半導体レーザ駆動回路の周波数特性は温度に依存するので、上記の半導体レーザ駆動回路によれば、ある温度において周波数特性を補償するように設定したとしても、半導体レーザ駆動回路の温度が変化すれば、周波数特性を充分補償することはできない。このように、上記半導体レーザ駆動回路によれば、広範囲の温度において半導体レーザ素子の周波数特性が補償されず、緩和振動現象を抑制することができなかった。
【０００４】
そこで、本発明は、広範囲の温度において緩和振動現象を抑制することが可能な半導体レーザ駆動回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
図５（ａ）は、従来の半導体レーザ駆動回路１１０を示している。図５（ｂ）は、高周波（１ＧＨｚ以上）における各素子の浮遊容量、寄生成分等を考慮した半導体レーザ駆動回路１１０の等価回路１１３を示す回路図である。等価回路１１３において、半導体レーザ素子ＬＤ１は、寄生容量Ｃ２，Ｃ３、寄生インダクタンスＬ１，Ｌ２，Ｌ３、動作微分抵抗ｒを含む回路に置き換えられる。寄生容量Ｃ２は半導体レーザ素子ＬＤ１内のチップキャリアの配線の寄生容量を示し、寄生容量Ｃ３は半導体レーザ素子ＬＤ１の接合容量を示している。寄生インダクタンスＬ１，Ｌ２はチップキャリア上の配線と外部とを接続するボンディングワイヤもしくはリードピンの寄生インダクタンスを示し、寄生インダクタンスＬ３は半導体レーザ素子ＬＤ１内のワイヤ配線の寄生インダクタンスを示している。動作微分抵抗ｒは半導体レーザ素子ＬＤ１の動作微分抵抗を示している。等価回路１１３によれば、半導体レーザ素子ＬＤ１の周波数応答特性は、動作微分抵抗ｒに依存することが判る。ここで動作微分抵抗とは、半導体レーザ素子ＬＤ１の動作点における∂Ｖ／∂Ｉ（Ｖ：電圧、Ｉ：電流）である。
【０００６】
図６は横軸を半導体レーザ素子ＬＤ１に印加される電圧、縦軸を流れる電流としたグラフである。半導体レーザ素子ＬＤ１の動作微分抵抗∂Ｖ／∂Ｉは図６に示すとおり、温度Ｔによって変化する。当該電流と電圧との関係を示す特性は、温度Ｔが上がると共に傾斜が緩やかになる。本発明者らは、半導体レーザ素子ＬＤ１の動作微分抵抗が温度によって上記のように変化するので、当該動作微分抵抗の温度特性を補償することによって、動作微分抵抗に依存する周波数応答特性が補償され、その結果、半導体レーザ駆動回路の周波数応答特性の温度による変化が軽減されることに着目して本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ駆動回路は、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子に並列に接続された温度補償回路と、を備え、温度補償回路は、コンデンサ素子と、コンデンサ素子に直列に接続され正の温度係数を有する抵抗素子と、を有することを特徴としている。
【０００８】
この半導体レーザ駆動回路においては、温度補償回路に含まれる抵抗素子が正の温度係数を有している。このため、半導体レーザ素子の温度が変化した場合に、抵抗素子の抵抗が半導体レーザ素子の動作微分抵抗を補償するように変化するので、動作微分抵抗に依存する周波数応答特性の温度による変化が軽減される。このように上記半導体レーザ駆動回路は、半導体レーザ素子の周波数応答特性が広範囲の温度において補償される。
【０００９】
また、本発明の半導体レーザ駆動回路は、抵抗素子が、１０００〜５０００ｐｐｍ／℃  の温度係数を有することを特徴としてもよい。また、本発明の半導体レーザ駆動回路は、抵抗素子が、正の温度係数を有する感温抵抗素子、又は正の温度係数を有する感温抵抗素子と感温抵抗素子に直列もしくは並列に接続された抵抗素子とを備えた合成抵抗素子であることを特徴としてもよい。これらのようにすれば、半導体レーザ素子の動作微分抵抗を補償するために好適であり、上記作用が効果的に奏される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、広範囲の温度において緩和振動現象を抑制することが可能な半導体レーザ駆動回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１（ａ）は、本発明の半導体レーザ駆動回路１００を示す回路図である。半導体レーザ駆動回路１００は、半導体レーザ素子ＬＤ１と、それに並列に接続された温度補償回路ＣＰ１とを備えている。温度補償回路ＣＰ１は互いに直列に接続されたコンデンサＣ１と、感温抵抗素子Ｒ１といった抵抗とを有している。半導体レーザ駆動回路１００は、端子ＴＲ１，ＴＲ２を介して周波数０．１〜１０Ｇｂｐｓの電気信号を受け半導体レーザ素子ＬＤ１を発光させる。本実施形態においては、コンデンサＣ１は例えば６ｐＦの電気容量を有している。
【００１３】
図１（ｂ）は、高周波（１ＧＨｚ以上）における各素子の浮遊容量、寄生成分等を考慮した半導体レーザ駆動回路１００の等価回路１０３を示す回路図である。等価回路１０３において、半導体レーザ素子ＬＤ１は、寄生容量Ｃ２，Ｃ３、寄生インダクタンスＬ１，Ｌ２，Ｌ３、動作微分抵抗ｒを含む回路に置き換えられる。寄生容量Ｃ２は半導体レーザ素子ＬＤ１内のチップキャリアの配線に生じる寄生容量を示し、寄生容量Ｃ３は半導体レーザ素子ＬＤ１の接合容量を示している。寄生インダクタンスＬ１，Ｌ２はチップキャリア上の配線と外部とを接続するボンディングワイヤもしくはリードピンの寄生インダクタンスを示し、寄生インダクタンスＬ３は半導体レーザ素子ＬＤ１内のワイヤ配線の寄生インダクタンスを示している。動作微分抵抗ｒは半導体レーザ素子ＬＤ１の動作微分抵抗を示している。ここで動作微分抵抗とは、半導体レーザ素子ＬＤ１の動作点における∂Ｖ／∂Ｉ（Ｖ：電圧、Ｉ：電流）である。
【００１４】
感温抵抗素子Ｒ１は、半導体レーザ駆動回路１００が温度変化した場合、動作微分抵抗ｒの温度変化による周波数応答特性の変化を軽減する方向に抵抗を変化させる温度係数を有している。動作微分抵抗ｒは温度の上昇に従って上昇する正の温度係数を有するので、等価回路１０３を参照すると、感温抵抗素子Ｒ１は正の温度係数を有する。一般的な半導体レーザ素子の動作微分抵抗の温度係数に鑑み、感温抵抗素子Ｒ１の温度係数は、１０００〜５０００ｐｐｍ／℃に設定されるのが好ましい。
【００１５】
以下、感温抵抗素子Ｒ１の温度係数の数値の決定方法についての一例を図５，図２を参照しながら説明する。以下、具体的な例に基づいて数値の設定方法をより具体的に説明するが、本発明は、以下の例に限定されるものではない。図５（ａ）に示す半導体レーザ駆動回路１１０では、抵抗素子Ｒ３は温度係数が無視できるほど小さく、抵抗が温度によって変化しない。図５（ｂ）に示す回路はその等価回路１１３である。このときの各素子の特性は以下のとおりである。
コンデンサＣ１＝６ｐＦ
寄生容量Ｃ２＝１．５ｐＦ
寄生容量Ｃ３＝１０ｐＦ
寄生インダクタンスＬ１＝１ｎＨ
寄生インダクタンスＬ２＝１ｎＨ
寄生インダクタンスＬ３＝２ｎＨ
動作微分抵抗ｒ＝６．５Ω（２５℃において）
【００１６】
この半導体レーザ駆動回路１１０において、３種類の温度環境において抵抗素子Ｒ３として種々の抵抗値を有する抵抗素子を用いて、半導体レーザ素子ＬＤ１の発光出力のアイパターンのアイ開口度を測定した。アイ開口度は大きいほど半導体レーザ素子ＬＤ１の動作微分抵抗が良好に補償されている。このとき半導体レーザ素子ＬＤ１に入力する信号として２．４８８Ｇｂｐｓのランダムパターンを用い、アイ開口度の評価指標としてジッタ及びマスクマージンを用いた。なお、ジッタ発生は小さいほどアイ開口度が大きく、マスクマージンは大きいほどアイ開口度が大きい。
【００１７】
半導体レーザ素子ＬＤ１のジッタ及びマスクマージンを測定した結果、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すグラフが得られた。図２（ａ）は、温度−４０℃の環境で、抵抗素子Ｒ３の抵抗を変えながら変化させた時の、抵抗とジッタ及びマスクマージンとの関係を示すグラフである。また、図２（ｂ），図２（ｃ）はそれぞれ、温度２５℃，８５℃の環境における上記関係を示している。上記それぞれのグラフにおいて、ジッタ発生を小さく、マスクマージンを大きくするような抵抗が、その温度環境において好ましい抵抗素子Ｒ３の抵抗である。
【００１８】
図２（ａ）のグラフによれば、温度−４０℃の環境においては、抵抗素子Ｒ３を約６０Ωとしたときにジッタ発生が小さく、マスクマージンが大きくなることが判る。同様に図２（ｂ），図２（ｃ）のグラフから、温度２５℃の環境においては抵抗素子Ｒ３が約７０Ωに、温度８５℃の環境においては抵抗素子Ｒ３が約８０Ωになればジッタ発生が小さく、マスクマージンが大きくなることが判る。これを基に算出した結果、常温で抵抗７０Ω、温度係数２３００ｐｐｍ／℃を有する抵抗素子Ｒ３を用いた場合に、各温度環境において半導体レーザ素子ＬＤ１の動作微分抵抗が好適に補償されることが判る。よってこの結果に基づき、半導体レーザ駆動回路１００では、常温で抵抗７０Ω、温度係数２３００ｐｐｍ／℃程度の温度係数を有する感温抵抗素子Ｒ１が用いられる。
【００１９】
半導体レーザ素子ＬＤ１のＶ−Ｉ特性は、
Ｉ＝Ｉｓ（ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）−１）
（但し、ｑ：素電荷、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）
で表され、動作微分抵抗は、
ｄＶ／ｄＩ＝ｋＴ／ｑＩ
となる。
Ｉ＝一定の動作点で考えると、動作微分抵抗は、絶対温度に比例し、２５℃（≒２９８°Ｋ）を基準とすると＋３３５５．７０５ｐｐｍ／℃の温度係数を有する。半導体レーザ素子ＬＤ１と並列接続される感温抵抗素子Ｒ１もこれと同等の温度係数を有することが望ましいが、駆動ＩＣの温度特性等の他の要因を考慮し、感温抵抗素子Ｒ１の温度係数は１０００〜５０００ｐｐｍ／℃の範囲で最適化される。ここで、金属抵抗は、温度係数が数百ｐｐｍ／℃程度であるので感温抵抗素子Ｒ１としては適当ではなく、カーボンを主成分とするカーボン抵抗は負の値の温度係数を有するので適当ではない。
【００２０】
図１（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、１０００〜５０００ｐｐｍ／℃の温度係数が得られる感温抵抗素子Ｒ１の例としてそれぞれ感温抵抗素子Ｒ１１、Ｒ１２，Ｒ１３の構成を示した回路図である。感温抵抗素子Ｒ１１（図１（ｃ））は、感温抵抗Ｒａ単体で構成されている。感温抵抗素子Ｒ１２（図１（ｄ））は、固定抵抗Ｒｂ，Ｒｄ及び感温抵抗Ｒｃを備えている。固定抵抗Ｒｄと感温抵抗Ｒｃとは直列に接続されている。固定抵抗Ｒｂは、固定抵抗Ｒｄと感温抵抗Ｒｃとに並列に接続されている。感温抵抗素子Ｒ１３（図１（ｅ））は、固定抵抗Ｒｇ及び感温抵抗Ｒｅ，Ｒｆを備えている。固定抵抗Ｒｇと感温抵抗Ｒｆとは直列に接続されている。感温抵抗Ｒｅは、固定抵抗Ｒｇと感温抵抗Ｒｆとに並列に接続されている。感温抵抗Ｒａ，Ｒｃ，Ｒｅ，Ｒｆとしては、例えばポジスター、感温チップ固定抵抗器等が用いられる。また、固定抵抗Ｒｂ，Ｒｄ，Ｒｇの温度係数は、感温抵抗Ｒａ，Ｒｃ，Ｒｅ，Ｒｆの温度係数に比較して十分に小さい。
【００２１】
市販されているポジスター、感温チップ固定抵抗器の抵抗値及び温度係数は離散的であるが、感温抵抗素子Ｒ１２、Ｒ１３によれば、任意の抵抗値及び／又は任意の温度係数を実現することが可能となる。感温抵抗素子Ｒ１２によれば、任意の常温抵抗値を実現することができる。また、感温抵抗素子Ｒ１３によれば、任意の常温抵抗値及び任意の温度係数を実現することができる。
【００２２】
半導体レーザ駆動回路１００によれば、半導体レーザ駆動回路１００の温度が変化した場合に、感温抵抗素子Ｒ１の抵抗値が、半導体レーザ素子ＬＤ１の動作微分抵抗を好適に補償するように変化するので、より広い動作温度の範囲において半導体レーザ素子ＬＤ１の動作微分抵抗が補償される。その結果、半導体レーザ素子ＬＤ１において動作微分抵抗に依存する周波数応答特性の温度による変化が軽減され、半導体レーザ素子ＬＤ１の周波数応答特性が広範囲の温度環境において補償される。よって、半導体レーザ駆動回路１００によれば、広範囲の温度において緩和振動現象を抑制することが可能となる。
【００２３】
以下、上記のように構成された半導体駆動レーザ回路１００を用い、各温度における周波数応答特性を計算し、結果を図３に示した。図３（ａ），図３（ｂ），図３（ｃ）はそれぞれ温度−４０℃，２５℃，８５℃の環境における半導体レーザ駆動回路１００の周波数応答特性を示したグラフである。このとき用いた半導体レーザ駆動回路１００の各素子の特性は以下のとおりである。
コンデンサＣ１＝６ｐＦ
寄生容量Ｃ２＝１．５ｐＦ
寄生容量Ｃ３＝１０ｐＦ
寄生インダクタンスＬ１＝１ｎＨ
寄生インダクタンスＬ２＝１ｎＨ
寄生インダクタンスＬ３＝２ｎＨ
動作微分抵抗ｒ＝６．５Ω（２５℃において）
感温抵抗素子Ｒ１の温度係数＝３７００ｐｐｍ／℃
感温抵抗素子Ｒ１の抵抗＝２５℃において６５Ω
【００２４】
また、一方、従来の半導体レーザ駆動回路１１０の各温度における周波数応答特性を計算し、結果を図４に示した。前述のとおり半導体レーザ駆動回路１１０は、温度補償回路ＣＰ１中の抵抗素子Ｒ３が温度に依らず６５Ωで固定である。その他の条件は半導体レーザ駆動回路１００と同様である。図４（ａ），図４（ｂ），図４（ｃ）はそれぞれ温度−４０℃，２５℃，８５℃の環境における半導体レーザ駆動回路１１０の周波数応答特性を示したグラフである。
【００２５】
半導体レーザ駆動回路１１０は、温度−４０℃の環境（図４（ａ））で、３ＧＨｚ付近に鋭い共鳴周波数を示している。また、温度８５℃の環境（図４（ｃ））では、１ＧＨｚよりも低周波側で温度補償回路ＣＰ１の効果が大きすぎる。一方それに比して、半導体レーザ駆動回路１００では、各温度において良好な周波数応答特性を示していることが判る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は、半導体レーザ駆動回路を示す回路図であり、（ｂ）は、その等価回路を示す回路図であり、（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、感温抵抗素子の構成を示す回路図である。
【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、抵抗素子Ｒ３の抵抗とジッタ及びマスクマージンとの関係を示すグラフである。
【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、半導体レーザ駆動回路の周波数応答特性を示したグラフである。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、従来の半導体レーザ駆動回路の周波数応答特性を示したグラフである。
【図５】（ａ）は、従来の半導体レーザ駆動回路を示す回路図であり、（ｂ）はその等価回路を示す回路図である。
【図６】半導体レーザ素子に印加される電圧と縦軸を流れる電流との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１００…半導体レーザ駆動回路、１０３…等価回路、１１０…半導体レーザ駆動回路、１１３…等価回路、Ｃ１…コンデンサ、Ｃ２，Ｃ３…寄生容量、ＣＰ１，ＣＰ３…温度補償回路、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…寄生インダクタンス、ＬＤ１…半導体レーザ素子、Ｒ１…感温抵抗素子、Ｒ３…抵抗素子、Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ１ｃ…抵抗器、ｒ…動作微分抵抗、ＴＲ１，ＴＲ２…端子。
【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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