(57)【要約】【課題】  半導体レーザ素子の過発光を防止しつつ広い温度範囲でも正常動作が可能な半導体レーザ駆動回路を提供すること【解決手段】  この半導体レーザ駆動回路１は、半導体レーザ素子（ＬＤ）２の光出力Ｐｏｕｔを制御するＡＰＣループ回路３を含む半導体レーザ駆動回路１において、ＡＰＣループ回路３においてＬＤ２に供給する電流ＩＢ，ＩＭを設定する電流設定用抵抗素子４ｂ，４ｍに接続され、光出力Ｐｏｕｔのモニタ信号Ｖ１に応じて電流設定用抵抗素子４ｂ，４ｍに余剰電流ＩＢ１，ＩＭ１を発生させる保護回路５を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子の光出力を制御するＡＰＣループ回路を含む半導体レーザ駆動回路において、
前記ＡＰＣループ回路において前記半導体レーザ素子に供給する電流を設定する電流設定用抵抗素子に接続され、前記光出力のモニタ信号に応じて前記電流設定用抵抗素子に余剰電流を発生させる余剰電流生成回路を備える、
ことを特徴とする半導体レーザ駆動回路。
【請求項２】
前記ＡＰＣループ回路は、
前記光出力に応じたモニタ信号を生成するフォトダイオードと、
前記モニタ信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記半導体レーザ素子と前記電流設定用抵抗素子との間に接続され、前記電流電圧変換部から出力された前記電圧信号に基づいて、前記半導体レーザ素子に供給される電流を、前記前記電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じて調整する電流源と、
を有し、
前記余剰電流生成回路は、
前記電流電圧変換部から出力された前記電圧信号に応じて、前記電流設定用抵抗素子に前記余剰電流を出力するトランジスタを有する、
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ＡＰＣループ回路は、
前記光出力に応じたモニタ信号を生成するフォトダイオードと、
前記モニタ信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記半導体レーザ素子と前記電流設定用抵抗素子との間に接続され、前記電流電圧変換部から出力された前記電圧信号に基づいて、前記半導体レーザ素子に供給される電流を、前記前記電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じて調整する電流源と、
を有し、
前記余剰電流生成回路は、
前記電流電圧変換部から出力された前記電圧信号と所定の基準電圧との差信号を生成するオペアンプと、
前記オペアンプから出力された前記差信号に応じて、前記電流設定用抵抗素子に前記余剰電流を出力するトランジスタと、
を有する、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号を生成する半導体レーザ素子を駆動するための半導体レーザ駆動回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光送信器においてモニタ用フォトダイオードが故障した場合に半導体レーザ素子が過発光するのを防止するために、様々な構成のものが検討されている。例えば、下記特許文献１には、レーザダイオード（以下、ＬＤという）に対して駆動電流及びバイアス電流を供給する２つのトランジスタ側にそれぞれ電流制限抵抗を設け、ＬＤに流れる電流の最大値を決定することによって、モニタ用フォトダイオードが故障しモニタ電流信号が減少した場合に、ＬＤの過発光を抑制する駆動回路の構成が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１２３４１４号公報
【特許文献２】特開平１１−１７７１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したような従来の駆動回路においては、広い動作温度範囲でＬＤ自身が使用できないという傾向にあった。それは、広い温度範囲では電流リミッタ回路が動作しなくなるばかりでなく、以下のように、ＬＤの通常動作も保証されないことによる。すなわち、ＬＤは電流−光変換効率が温度によって大きく変化する。ＬＤにおいて同じ光出力を得るのに必要な電流は、低温で小さく、高温で大きい。つまり、低温で過発光を防止するための許容電流の最大値が、高温で通常動作に必要な電流の最小値を超えていなければならないが、ＬＤの特性によってはこれが成り立たない。
【０００４】
例えば、図３に示すＬＤの電流−発光強度特性においては、出力１０ｍＷに必要なＬＤ供給電流は、−４０°Ｃの温度環境で６０ｍＡである。また、レーザ装置の安全基準としてＪＩＳ規格に規定されたＣｌａｓｓ１仕様では、レーザからの発光出力が１０ｍＷを上回らないとされている。低温時にこの電流値でリミッタを施した場合、最大発光強度ではなく通常発光強度をＬＤの５ｍＷに設定するときに必要なＬＤ供給電流は、低温では約３０ｍＡですむが、８５°の高温時には７０ｍＡ近く必要になる。従って、通常駆動状態で６０ｍＡのリミッタ値を上回る電流が必要になり、高温時に正常な発光が不可能になってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、半導体レーザ素子の過発光を防止しつつ広い温度範囲でも正常動作が可能な半導体レーザ駆動回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、半導体レーザ素子の光出力を制御するＡＰＣループ回路を含む半導体レーザ駆動回路において、ＡＰＣループ回路において半導体レーザ素子に供給する電流を設定する電流設定用抵抗素子に接続され、光出力のモニタ信号に応じて電流設定用抵抗素子に余剰電流を発生させる余剰電流生成回路を備える。
【０００７】
このような半導体レーザ駆動回路においては、ＡＰＣループ回路において半導体レーザ素子の供給電流を設定するために設けられた電流設定用抵抗素子に、光出力のモニタ信号に応じて余剰電流が流される結果、供給電流が余剰電流のために減少するので、ＡＰＣループ断時等の異常時における半導体レーザ素子における過発光が防止される。同時に、電流設定用抵抗素子は、制限したい発光強度に関係なく通常駆動状態の光出力を確保できるように設定可能となるので、広い温度範囲に亘って半導体レーザを正常に発光させることができる。
【０００８】
ＡＰＣループ回路は、光出力に応じたモニタ信号を生成するフォトダイオードと、モニタ信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、半導体レーザ素子と電流設定用抵抗素子との間に接続され、電流電圧変換部から出力された電圧信号に基づいて、半導体レーザ素子に供給される電流を、電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じて調整する電流源と、を有し、余剰電流生成回路は、電流電圧変換部から出力された電圧信号に応じて、電流設定用抵抗素子に余剰電流を出力するトランジスタを有する、ことが好ましい。
【０００９】
この場合、ＡＰＣループ回路において、フォトダイオードから出力されたモニタ信号が電圧信号に変換され、その電圧信号に基づいて、電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じた変化量で半導体レーザ素子への供給電流が調整される。このとき、トランジスタにより上記電圧信号に応じて電流設定用抵抗素子に余剰電流が流され、この余剰電流により電流源から供給される電流量が抑えられるので、半導体レーザ素子とフォトダイオードとの光結合断時等の異常時における半導体レーザ素子における過発光が防止される。
【００１０】
また、ＡＰＣループ回路は、光出力に応じたモニタ信号を生成するフォトダイオードと、モニタ信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、半導体レーザ素子と電流設定用抵抗素子との間に接続され、電流電圧変換部から出力された電圧信号に基づいて、半導体レーザ素子に供給される電流を、電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じて調整する電流源と、を有し、余剰電流生成回路は、電流電圧変換部から出力された電圧信号と所定の基準電圧との差信号を生成するオペアンプと、オペアンプから出力された差信号に応じて、電流設定用抵抗素子に余剰電流を出力するトランジスタと、を有する、ことも好ましい。
【００１１】
かかる構成を採れば、ＡＰＣループ回路において、フォトダイオードから出力されたモニタ信号が電圧信号に変換され、その電圧信号に基づいて、電流設定用抵抗素子の抵抗値に応じた変化量で半導体レーザ素子への供給電流が調整される。このとき、オペアンプにより上記電圧信号と基準電圧との差信号が生成され、トランジスタにより上記差信号に応じて電流設定用抵抗素子に余剰電流が流され、この余剰電流により電流源から供給される電流量が抑えられるので、半導体レーザ素子とフォトダイオードとの光結合断時等の異常時における半導体レーザ素子における過発光が防止される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体レーザ駆動回路によれば、半導体レーザ素子の過発光を防止しつつ広い温度範囲でも正常動作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る半導体レーザ駆動回路の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明の好適な一実施形態である半導体レーザ駆動回路１の回路図である。同図に示す半導体レーザ駆動回路１は、光通信で用いられる光送信器等に内蔵されて、光信号を生成する素子である半導体レーザダイオード（以下、ＬＤという）を駆動するための回路である。
【００１５】
半導体レーザ駆動回路１は、ＬＤ２の光出力の強度を自動制御するＡＰＣループ回路３と、ＡＰＣループ回路３内の電流設定用抵抗素子４ｂ，４ｍに余剰電流を供給してＬＤ２の過発光を防止する保護回路（余剰電流生成回路）５とを備えて構成されている。
【００１６】
以下、ＡＰＣループ回路３の構成について説明する。ＡＰＣループ回路３は、光信号Ｐｏｕｔを生成するＬＤ２を有し、ＬＤ２のアノードには、ＬＤ２からの光出力Ｐｏｕｔの強度に応じたモニタ電流信号を生成するフォトダイオード（以下、ＰＤという）６のカソードが接続され、ＬＤ２のアノード及びＰＤ６のカソードには、正電圧Ｖｃｃが印加されている。このＰＤ６のアノードには、モニタ電流信号を電圧信号Ｖ１に変換する電流／電圧変換抵抗（電流電圧変換部）７が接続されている。さらに、電流／電圧変換抵抗７のＰＤ６側の端子には、反転増幅器８の入力が接続され、反転増幅器８の出力は反転増幅器９ｂ，９ｍに分岐して接続されている。
【００１７】
反転増幅器９ｂの出力は、オペアンプ１０ｂの反転入力に接続され、オペアンプ１０ｂの非反転入力には正電圧Ｖｂ１が印可されている。このオペアンプ１０ｂの出力は、オペアンプ１１ｂの非反転入力に接続され、オペアンプ１１ｂの反転入力には、電流設定用抵抗素子４ｂ、及び電流設定用抵抗素子４ｂとＬＤ２との間に接続されたＮＰＮトランジスタ１２ｂのエミッタが接続されている。オペアンプ１１ｂの出力は、ＮＰＮトランジスタ１２ｂのベースに接続され、ＮＰＮトランジスタ１２ｂのコレクタは、ＬＤ２のカソードが接続されている。このオペアンプ１１ｂとＮＰＮトランジスタ１２ｂとによって電流源１３ｂが構成される。
【００１８】
また、同様に、反転増幅器９ｍの出力は、オペアンプ１０ｍの反転入力に接続され、オペアンプ１０ｍの非反転入力には正電圧Ｖｍ１が印可されている。このオペアンプ１０ｍの出力は、オペアンプ１１ｍの非反転入力に接続され、オペアンプ１１ｍの反転入力には、電流設定用抵抗素子４ｍ、及び電流設定用抵抗素子４ｍとＬＤ２との間に接続されたＮＰＮトランジスタ１２ｍのエミッタが接続されている。オペアンプ１１ｍの出力は、ＮＰＮトランジスタ１２ｍのベースに接続され、ＮＰＮトランジスタ１２ｍのコレクタは、変調電圧／電流変換器１４を介してＬＤ２のカソードが接続されている。このオペアンプ１１ｍとＮＰＮトランジスタ１２ｍとによって電流源１３ｍが構成される。
【００１９】
このようなＡＰＣループ回路３においては、変調電圧／電流変換器１４の入力には、データ信号ＳＩＮ、すなわち、オン／オフするパルス信号が入力され、ＮＰＮトランジスタ１２ｍ、及びそのベースに接続されているオペアンプ１１ｍで決定される変調電流ＩＭが、変調電圧／電流変換器１４によってこのデータ信号ＳＩＮに基づいてスイッチングされて、ＬＤ２に供給される。一方、ＮＰＮトランジスタ１２ｂ、及びそのベースに接続されているオペアンプ１１ｂで規定される電流源１３ｂの出力電流が、バイアス電流ＩＢとしてＬＤ２に供給される。
【００２０】
同時に、ＬＤ２の光出力Ｐｏｕｔの一部は、ＰＤ６によりモニタされてモニタ電流信号が生成される。このモニタ電流信号が電流／電圧変換抵抗７に流れ込むことによって電圧降下量に対応する電圧信号Ｖ１に変換される。電圧信号Ｖ１は、反転増幅器８及び反転増幅器９ｂ，９ｍを経由することによって増幅されて、オペアンプ１０ｂ，１０ｍに入力される。オペアンプ１０ｂ，１０ｍによって正電圧Ｖｂ１，Ｖｍ１と増幅された電圧信号Ｖ１との差を示す電圧に増幅され、オペアンプ１１ｂ，１１ｍに入力される。そして、オペアンプ１１ｂ，１１ｍ及びＮＰＮトランジスタ１２ｂ，１２ｍによって、正電圧Ｖｂ１，Ｖｍ１と電圧信号Ｖ１の増幅電圧との差に基づいて、電流設定用抵抗素子４ｂ，４ｍの抵抗値に応じた変化量で電流ＩＢ，ＩＭが調整される。
【００２１】
すなわち、ＬＤ２の劣化等で光出力Ｐｏｕｔが低下した時には、（１）ＰＤ６の電流出力が小さくなり、電圧信号Ｖ１が低下し、（２）２段目のオペアンプ１０ｂ，１０ｍの入力が低下し、（３）２段目のオペアンプ１０ｂ，１０ｍの出力が増加する結果、（４）電流値ＩＢ，ＩＭが増加する。この電流値ＩＢ，ＩＭの増加量は、各電流源１３ｂ，１３ｍに接続されている電流設定用抵抗素子４ｂ，４ｍの抵抗値によって設定される。
【００２２】
次に、保護回路５の構成について説明する。保護回路５においては、２つのダイオードが直列接続されたダイオード群１５ｂ，１５ｍが、それぞれ、アノード側をＰＤ６のカソードに接続するように設けられている。ダイオード群１５ｂ，１５ｍのカソードは、それぞれ、ＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍのエミッタに接続され、ＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍのベースがＰＤ６と電流／電圧変換抵抗７との間に接続され、ＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍのコレクタは、それぞれ、電流源１３ｂ，１３ｍと電流設定用抵抗素子４ｂ，４ｍとの間に接続されている。このような構成のダイオード群１５ｂ及びＰＮＰトランジスタ１６ｂは、電圧信号Ｖ１に基づいてバイアス電流ＩＢを制限する機能を有し、ダイオード群１５ｍ及びＰＮＰトランジスタ１６ｍは、電圧信号Ｖ１に基づいて変調電流ＩＭを制限する機能を有する。
【００２３】
以上のような保護回路５を備えた半導体レーザ駆動回路１の動作について説明する。
【００２４】
まず、ＰＤ６の光電流が何らかの原因で発生しない場合を想定すると、オペアンプ１０ｂ，１０ｍの反転入力はほぼＧＮＤレベルまで低下する。この時、ＰＤ６の出力にＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍのベースが接続され、エミッタはダイオード群１５ｂ，１５ｍにより正電圧Ｖｃｃに引き上げられているので、電圧信号Ｖ１が所定値Vcc−0.7×2−0.7[V]以下になると、このＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍがオンする。ここで、上記所定値の第２項はダイオード群１５ｂ，１５ｍによる電圧降下、第３項はＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍのエミッタ−ベース間の電圧降下を表している。また、通常動作時の電圧信号Ｖ１がＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍがオンしないような電位となるように、電流／電圧変換抵抗７の抵抗値が、ＰＤ６の電流値を加味して設定されている。すなわち、ダイオード群１５ｂ，１５ｍが２段である場合は、通常動作時の電圧信号Ｖ１がVcc−0.7×（1.0〜2.0）[V]程度のレベルであれば、ＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍがオンせず、ＡＰＣループ回路３の動作に影響を与えない。
【００２５】
そこで、ＬＤ２とＰＤ６との光結合断時等のように、ＡＰＣループ回路３に異常が生じると、ＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍがオンとなって、電流設定用抵抗素子４ｂ，４ｍに余剰電流ＩＢ１，ＩＭ１が供給される。その結果、ＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍのコレクタ電位＝オペアンプ１１ｂ，１１ｍの反転入力電位＝ＮＰＮトランジスタ１２ｂ，１２ｍのエミッタ電位を押し上げることになり、ＮＰＮトランジスタ１２ｂ，１２ｍはほぼオフの状態になり、ＬＤ２に供給される電流ＩＢ，ＩＭを抑えることが可能となる。
【００２６】
一方、保護回路５を備えない場合は、ＡＰＣループ回路３の異常時に電圧信号Ｖ１がＧＮＤレベルに近づくと、オペアンプ１１ｂ，１１ｍの出力はハイ側に振り切れてしまう。その結果、電流源１３ｂ，１３ｍが生成する電流ＩＢ，ＩＭも最大値に振り切れ、ＬＤ２に供給された電流が回路動作上の許容値を超えてしまうので、ＬＤ２が破壊される可能性がある。
【００２７】
以上説明した半導体レーザ駆動回路１によれば、ＰＮＰトランジスタ１６ｂ，１６ｍにより電圧信号Ｖ１に応じて電流設定用抵抗素子４ｂ，４ｍに余剰電流ＩＢ１，ＩＭ１が流され、この余剰電流ＩＢ１，ＩＭ１により電流源１３ｂ，１３ｍから供給される電流量ＩＢ，ＩＭが抑えられるので、ＬＤとＰＤとの光結合断時等の異常時におけるＬＤにおける過発光が防止される。同時に、電流設定用抵抗素子４ｂ，４ｍは、制限したい発光強度に関係なく通常駆動状態の光出力を確保できるように設定可能となるので、広い温度範囲に亘ってＬＤを正常に発光させることができる。
【００２８】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、保護回路５の構成としては、様々な変形態様を採りうる。図２は、本発明の変形例の半導体レーザ駆動回路２１の主要部を示す回路図である。同図に示す半導体レーザ駆動回路２１の保護回路２５は、ＰＤ６のアノードと電流／電圧変換抵抗７との間に反転入力が接続されたオペアンプ２４ｂを有し、オペアンプ２４ｂの非反転入力には正電圧Ｖｂ２が印加されている。オペアンプ２４ｂは、電圧信号Ｖ１と正電圧Ｖｂ２との差信号を増幅して出力する。さらに、保護回路２５においては、オペアンプ２４ｂの出力にベースが接続されたＮＰＮトランジスタ２５ｂが設けられ、ＮＰＮトランジスタ２５ｂのコレクタは正にバイアスされ、そのエミッタは電流源１３ｂと電流設定用抵抗素子４ｂとの間に接続されている。また、保護回路２５においては、ＰＤ６のアノードと電流設定用抵抗素子４ｍの間に同様な構成の保護回路を設けてもよい。
【００２９】
このような半導体レーザ駆動回路２１においては、オペアンプ２４ｂによってＰＤ６の出力電流がモニタされ、モニタ値が低下すると、オペアンプ２４ｂの反転入力レベルが低下しその出力が上昇することによって、ＮＰＮトランジスタ２５ｂがオンする。これにより、保護回路２５から電流設定用抵抗素子４ｂに電圧信号Ｖ１と正電圧Ｖｂ２とのレベル差に応じた余剰電流ＩＢ１が供給される。この電流設定用抵抗素子４ｂに流れ込む電流は、ほぼ全てＮＰＮトランジスタ２５ｂから供給されるので、電流源１３ｂに接続されるＬＤ２から流れ込む電流はそれだけ低下し、ＬＤ２の保護が果たされる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の好適な一実施形態である半導体レーザ駆動回路の回路図である。
【図２】本発明の変形例である半導体レーザ駆動回路の主要部を示す回路図である。
【図３】一般的な半導体レーザ素子における電流−発光強度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１，２１…半導体レーザ駆動回路、３…ＡＰＣループ回路、４ｂ，４ｍ…電流設定用抵抗素子、５，２５…保護回路（余剰電流生成回路）、７…電流／電圧変換抵抗、１３ｂ，１３ｍ…電流源、１６ｂ，１６ｍ…ＰＮＰトランジスタ、２４ｂ…オペアンプ、２５ｂ…トランジスタ、ＩＢ…バイアス電流、ＩＭ…変調電流、ＩＢ１，ＩＭ１…余剰電流、Ｐｏｕｔ…光出力、Ｖ１…モニタ電圧信号、Ｖｂ２…正電圧（基準電圧）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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