(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
２つの入力部、前記２つの入力部に各々対応する２つの出力部、及び、共通ラインとを備え、前記２つの入力部に入力される変調信号にしたがって、前記出力部のうち前記発光素子のカソードに接続された一方の出力部を介して前記発光素子をＯＮ／ＯＦＦする差動型電流スイッチと、
前記差動型電流スイッチの前記共通ラインに接続され、前記差動型電流スイッチの前記２つの出力部から電流が２方向に切り分けられる定電流源と、
前記発光素子のカソード側に接続され、前記発光素子にバイアス電流を流すバイアス電流源と、
前記発光素子のカソードと前記差動型電流スイッチの他方の出力部との間に接続されるローパスフィルタとを有することを特徴とする光送信器。
【請求項２】
前記バイアス電流源は、一端が前記発光素子のカソード側に接続され他端が接地されたバイアス電流源、及び、一端が前記発光素子のカソード側に接続され他端が前記発光素子のアノードに接続されたバイアス電流源で構成され、その電流出力が吸い込み、流れ出しの両方が可能である請求項１に記載の光送信器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速で動作する光送信器に係り、特に、光送信回路を工夫して大幅な低消費電力化を図った光送信器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、データ通信において光通信を用いる機会が非常に多くなっている。特に長距離の伝送が必要でない場合でも、極めて広帯域であるという光ファイバの特徴を活かし、電気的な伝送が難しい非常に高速な信号を、比較的短距離に送るという用途もある。さらに、このように比較的短距離で極めて大容量の伝送を行う方法として、光ファイバを複数本使用して並列して伝送を行うことも一般的になってきている。
【０００３】
このような伝送を可能にする並列型の光送信器・光受信器には、低消費電力な回路が要求される。特に、光送信器はレーザダイオード（ＬＤ：半導体レーザ）のような発光素子を含むため、消費電力が大きくなりがちであり、発熱の処理が問題になる。一般に並列型の光送信器の並列数は８本または１２本になることが多い。このような光送信器が使用される場所では、一般に一箇所に非常に多数の送信器を並べて使用することが多いため、並列型の光送信器・光受信器サイズを大きくすることはできない。このため、単芯の送信器よりも発光素子１本あたりの筐体サイズは大幅に小さくなるので、同じ回路を用いていては放熱が非常に厳しくなる。
【０００４】
図５は、従来技術の一例であり、発光素子にＬＤ５１を用いた高速光送信器５０の基本回路である。また図６は、光送信器５０におけるＬＤ５１の電流−光出力特性と各部電流との関係を示した図である。
【０００５】
従来の光送信器５０の構成と動作を簡単に説明する。定電流源５２に、その電流を２方向に切り分ける差動型電流スイッチ５３が接続されており、このうち１方向の電流をＬＤ５１に印加する。差動型電流スイッチ５３の動作によりＬＤ５１の電流は断続し、発光はＯＮ／ＯＦＦ動作する。ＬＤ５１は一定電流（閾値電流）までは電流を流してもほとんど発光しないので、バイアス電流源５４によってＬＤ５１にその分バイアス電流Ｉｂ５を加え、変調電流Ｉｍ５と光出力Ｐが比例するようにする。ＬＤ５１の発光パワーは、モニタＰＤ（モニタフォトダイオード）５５によってモニタされ、制御回路５６によって発光パワーが一定となるようにバイアス電流源５４の電流値がフィードバック制御される。
【０００６】
差動型電流スイッチ５３を使ったレーザダイオード変調回路は、比較的簡単な回路で極めて高速で動作する優れた回路方式であるが、ＬＤ５１の点滅に拘わらず同じ電流が消費されてしまうという特性がある。ＬＤ５１を光らせるときにはＬＤ５１に変調電流Ｉｍ５が印加されるが、消えているときは別の経路に電流を切り替えるだけで、電流自体の大きさが変わらないためである。つまり、デューティ比が５０％である一般的な光伝送方式の場合、変調電流Ｉｍ５の半分はＬＤ５１を通らず無駄に消費されることになる。
【０００７】
この特性は、レーザダイオードが１個の、並列でない光送信器では特に大きな問題とはならないが、８個あるいは１２個程度のレーザダイオードチップが非常に狭いエリアに高密度に実装される並列型の光送信器では深刻な問題である。
【０００８】
しかし、差動型電流スイッチ５３を使わずに高速でＬＤ５１を変調することは難しいため、並列型の光送信器のように発熱密度が高い光送信器では、放熱特性を改善する方法が取られる。このため、並列型の光送信器のパッケージは、セラミックや金属など熱伝導性の高い材料を用いたものが一般的である。発光素子とそのドライブ回路とパッケージとの間の熱抵抗を極力低く抑えるような実装方法を採用し、効果的に放熱されるように設計されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題  】
しかしながら、セラミックや金属などのパッケージを用いた並列型の光送信器は、コストが高くなるという問題がある。一つめの理由は、金属あるいはセラミックのパッケージは、最近多く使われるようになったプラスチックのものに比較すると一般的に高価である、という点である。特に並列型の光送信器に使用する場合は複雑なパッケージ構造になりやすいため、どうしてもパッケージが高価となってしまう。
【００１０】
もう一つは、いかに放熱性の良いパッケージを採用しても、消費電力自体は大きいので、パッケージを冷やすために強い強制空冷をかける必要がある、という点である。このため光送信器を装備する伝送機器の構造を十分に吟味する必要があり、実装コストが上昇する。場合によっては実装密度をあまり上げることができなくなる。それだけでなく、強い強制空冷が必要であるということは、機器の信頼性にも不利になりがちである。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、低消費電力な光送信回路により、特に並列伝送用の低コストな光送信器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、発光素子と、２つの入力部、前記２つの入力部に各々対応する２つの出力部、及び、共通ラインとを備え、前記２つの入力部に入力される変調信号にしたがって、前記出力部のうち前記発光素子のカソードに接続された一方の出力部を介して前記発光素子をＯＮ／ＯＦＦする差動型電流スイッチと、前記差動型電流スイッチの前記共通ラインに接続され、前記差動型電流スイッチの前記２つの出力部から電流が２方向に切り分けられる定電流源と、前記発光素子のカソード側に接続され、前記発光素子にバイアス電流を流すバイアス電流源と、前記発光素子のカソードと前記差動型電流スイッチの他方の出力部との間に接続されるローパスフィルタとを有するものである。
【００１３】
前記バイアス電流源は、一端が前記発光素子のカソード側に接続され他端が接地されたバイアス電流源、及び、一端が前記発光素子のカソード側に接続され他端が前記発光素子のアノードに接続されたバイアス電流源で構成され、その電流出力が吸い込み、流れ出しの両方が可能であるものでもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１５】
図１は、本発明の好適実施の形態である光送信器の回路図を示したものである。
【００１６】
図１に示すように、本発明に係る光送信器１は、主として並列伝送の光通信に用いられるものであり、電源ライン２にアノードが接続される発光素子としてのＬＤ５１と、ＬＤ５１のカソードに一方の出力が接続され、ＬＤ５１を変調信号ｍにしたがってＯＮ／ＯＦＦする（点滅させる）差動型電流スイッチ５３と、差動型電流スイッチ５３に接続され、差動型電流スイッチ５３により電流が２方向に切り分けられる定電流源５２と、ＬＤ５１のカソードにインダクタ３等を介して接続され、ＬＤ５１にバイアス電流Ｉｂを流すバイアス電流源５４と、差動型電流スイッチ５３の他方の出力とＬＤ５１のカソードとの間に、バイアス電流源５４と並列に接続されるローパスフィルタ（ＬＰＦ：低域通過フィルタ）４とを備えている。定電流源５２とバイアス電流源５４は接地されている。
【００１７】
さらに、この光送信器１には、ＬＤ５１の発光パワーをモニタしてモニタ電流を発生するモニタＰＤ５５と、発生したモニタ電流に応じてＬＤ５１の発光パワーが一定となるようにバイアス電流源５４の電流値をフィードバック制御する制御回路５６とが備えられている。モニタＰＤ５５のカソードは電源ライン２に接続されており、アノードは制御回路５６に接続されている。制御回路５６も接地されている。
【００１８】
光送信器１では、これらＬＤ５１、定電流源５２、差動型電流スイッチ５３、バイアス電流源５４、モニタＰＤ５５、制御回路５６、電源ライン２、インダクタ３、ＬＰＦ４で光送信回路を構成している。
【００１９】
差動型電流スイッチ５３は、２つのトランジスタ５３ａ，５３ｂからなっている。差動型電流スイッチ５３の一方の出力、すなわち、トランジスタ５３ａのコレクタがＬＤ５１のカソードに接続されている。差動型電流スイッチ５３の他方の出力、すなわち、トランジスタ５３ｂのコレクタがＬＰＦ４に接続されている。トランジスタ５３ａ，５３ｂの各エミッタは共通ラインで結ばれており、この共通ラインに定電流源５２が接続されている。差動型電流スイッチ５３の２つの入力、すなわち、トランジスタ５３ａ，５３ｂの各ベースには、変調信号ｍが入力される。
【００２０】
ＬＰＦ４は、高周波電流成分を平滑化するものであり、低域の遮断周波数が変調信号ｍに含まれる周波数成分に比べて十分に低く、平滑電流ＩｓはほとんどＤＣ（直流）であることが必要である。ＬＰＦ４の構成としては、例えば、通常のインダクタとコンデンサを用いた構成、半導体増幅素子を用いた能動フィルタの構成などを用いることができる。
【００２１】
本実施の形態の作用を説明する。
【００２２】
図２は、光送信器１におけるＬＤ５１の電流−光出力特性と各部電流との関係を示す図である。図２では、横軸を電流Ｉにとり、縦軸を光出力Ｐにとって、ＬＤ５１の電流−光出力特性曲線をａ、変調電流波形をＷｍ、光出力波形をＷｐでそれぞれ示している。
【００２３】
図１および図２に示すように、光送信器１に備えられた光送信回路は、定電流源５２で制御される一定の電流を、変調信号ｍにしたがい差動型電流スイッチ５３によって２方向に切り替え、変調電流Ｉｍを、ＬＤ５１と差動型電流スイッチ５３の一方の出力（トランジスタ５３ａのコレクタ）に流す。本実施の形態では、ＬＤ５１のカソードは、変調電流Ｉｍが印加される電極となっている。ＬＤ５１に加えられるバイアス電流Ｉｂは、定電流源５２とは別の定電流源であるバイアス電流源５４によって生成され、ＬＤ５１とインダクタンス３を流れる。一方、差動型電流スイッチ５３の他方の出力（トランジスタ５３ｂのコレクタ）はＬＰＦ４に接続されているので、平滑電流ＩｓがＬＤ５１とＬＰＦ４に流れる。
【００２４】
光送信器１では、ＬＤ５１の閾値電流はバイアス電流Ｉｂと平滑電流Ｉｓの和（Ｉｂ＋Ｉｓ）であり、その状態でＬＤ５１に、変調電流の大きさがＩｍで、デューティ比が約５０％の変調電流波形Ｗｍを有する変調信号ｍを入力すると、ＬＤ５１からは、特性曲線ａに応じて光出力Ｐが増幅された光出力波形Ｗｐを有する光信号ｐが出力される。
【００２５】
差動型電流スイッチ５３のＬＰＦ４側に流れる電流は、これまで利用されずに直接電源側に流されていたが、本発明では、その電流をＬＤ５１のバイアス電流の一部として利用している点が特徴である。このため、その分バイアス電流源５４からの出力電流を減少させることができている。
【００２６】
すなわち、図５および図６で説明した従来の光送信器５０では、ＬＤ５１の閾値電流はバイアス電流Ｉｂ５のみであったが、本発明に係る光送信器１では、ＬＤ５１の閾値電流はバイアス電流Ｉｂと平滑電流Ｉｓの和となっているので、バイアス電流Ｉｂをバイアス電流Ｉｂ５よりも少なくして回路電流を有効に使用することができるため、消費電力を大幅低減することが可能である。
【００２７】
このように、本発明の光送信器では、発光素子をＯＮ／ＯＦＦ駆動する差動型電流スイッチの発光素子が接続されない側の出力と発光素子のカソードとの間に、ローパスフィルタをバイアス電流源と並列に接続することにより、無駄な回路電流をなくしている。
【００２８】
したがって、低消費電力な光送信回路が簡単に構成できるため、セラミックや金属などの高価なパッケージを用いる必要がなく、特に並列伝送用の低コストな光送信器を提供することが可能になる。
【００２９】
第２の実施の形態を説明する。
【００３０】
図３は、本発明の第２の実施の形態を示す光送信器の回路図を示したものである。
【００３１】
図３に示すように、光送信器３０は、発光素子としての閾値電流が小さいＬＤ３１を使用したものであり、図１で説明した光送信器１のバイアス電流源５４に換えて、その電流出力が吸い込み、流れ出しの両方が可能であるバイアス電流源３２を備えたものである。バイアス電流源３２は、電流を引き込む（吸い込む）だけの機能を有するバイアス電流源５４と異なり、電流の吸い込み、吐き出しの両方に動作するプッシュプル型の機能を有する電流源である。その他の構成は、図１で説明した光送信器１と同じ構成である。
【００３２】
第２の実施の形態の作用を説明する。
【００３３】
図４は、光送信器３０におけるＬＤ３１の電流−光出力特性と各部電流との関係を示す図である。図３では、横軸を電流Ｉにとり、縦軸を光出力Ｐにとって、ＬＤ３１の電流−光出力特性曲線をｂ、変調電流波形をＷｍ３、光出力波形をＷｐ３でそれぞれ示している。
【００３４】
最近のＬＤでは閾値電流が小さいものがある。このようなＬＤを使用した場合、特に低温領域において、図１で説明した光送信器１のような構成では、ＬＰＦ４を通した平滑電流Ｉｓが必要なバイアス電流Ｉｂより大きくなってしまい、光出力波形Ｗｐの消光比の劣化につながる可能性がある。これは、通常のバイアス電流源は電流を引き込むだけの機能であり、吐き出すことができないので、余分な電流を打ち消すことができないためである。
【００３５】
図３および図４に示すように、光送信器３０では、ＬＤ３１の閾値電流は平滑電流Ｉｓ３とバイアス電流Ｉｂ３の差（Ｉｓ３−Ｉｂ３）であり、その状態でＬＤ３１に、変調電流の大きさがＩｍ３で、デューティ比が約５０％の変調電流波形Ｗｍ３を有する変調信号ｍ３を入力すると、ＬＤ３１からは、特性曲線ｂに応じて光出力Ｐが増幅された光出力波形Ｗｐ３を有する光信号ｐ３が出力される。
【００３６】
この光送信器３０のように、プッシュプル型のバイアス電流源３２を用いれば、大きすぎる平滑電流Ｉｓ３を打ち消すことにより、ＬＤ３１に印加されるバイアス電流Ｉｂ３の値を適度に保つことができる。このため、光出力波形Ｗｐ３の消光比の劣化やパワーの変動を抑えることが可能になる。プッシュプル型のバイアス電流源３２からのこの電流の吐き出しは、余分な平滑電流のみＬＤ３１をバイパスさせるという動作であり、通常の回路よりは消費電力は小さく保たれるということには変わりはない。その他の作用効果は、図１で説明した光送信器１と同じである。
【００３７】
上記実施の形態では、発光素子としてＬＤを用いた例で説明したが、本発明では、発光素子としてＬＥＤ（発光ダイオード）を用いることもできる。ＬＤはＬＥＤに比べて高速変調が可能で、発光スペクトルが狭く、長距離伝送に適しているので、数十ＭＨｚ以上の光通信の場合に用いるとよい。また、ＬＤは、出力パワーが大きく、光ファイバとの結合効率がよいことも特徴である。これに対してＬＥＤは、狭帯域であるが、一般的に長寿命で安価であるという特徴を活かした光通信の場合に用いるとよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００３９】
（１）低消費電力な光送信回路が簡単に構成できるため、特に並列伝送用の低コストな光送信器を提供することが可能になる。
【００４０】
（２）セラミックや金属などの高価なパッケージを用いる必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す回路図である。
【図２】図１に示した光送信器におけるＬＤの電流−光出力特性と各部電流との関係を示す図である。
【図３】第２の実施の形態を示す回路図である。
【図４】図３に示した光送信器におけるＬＤの電流−光出力特性と各部電流との関係を示す図である。
【図５】従来の光送信器の回路図である。
【図６】従来の光送信器におけるＬＤの電流−光出力特性と各部電流との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  光送信器
２  電源ライン
４  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
５１  ＬＤ（発光素子）
５２  定電流源
５３  差動型電流スイッチ
５４  バイアス電流源
【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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