JP2004527098A - 低電力レーザドライバ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザドライバに係り、特に、光前置増幅器を駆動するために使用するレーザドライバに係る。
【0002】
シングルチャンネル(又は波長)の光ファイバ通信リンクの帯域幅は、主に、送信器及び受信器において必要とされる高速電子部品によって制限される。光通信信号の波長分割多重は、電子部品の速度を上げることなく、光ファイバ通信リンクの帯域幅を増加するために用いられる技法の1つである。通信受信器側において、光通信信号を受信する光チャネルは、分離又は多重分離されて、個々の受信器に送られなければならない。個々の受信器は、データ受信率が異なる。1つの例としては、2,488Gb/sの受信器である。
【0003】
多重分離処理は理想的ではなく、また、光損失を生じさせるので、受信器の感度全体を下げてしまう。感度の低下は更に、通信リンク全体の伝送長を短くする。構成要素をそれぞれ最適化する場合、このような種類の受信器の構造では、小さい寸法と低電力動作という利点は達成されない。波長分割多重受信器において高い感度を達成するために現在行われている方法の1つは、アバランシェ・フォトダイオード(APD)を有する波長デマルチプレクサを使用することである。この電子増幅された光受信器は、ラック取り付け型構成の別個のユニットとして設計される。一般的に、ラック取り付け型構成内の各カードユニットが、個々の構成要素を表し、非常に大きいが、特に、低電力適用において望ましくないユニットを形成する。望ましくないというのは、先端飛行機設計又は他の設計仕様では、低電力及び小さいフットプリントが望まれるからである。
【0004】
このような種類の光受信器は、ラック取り付け型ユニットであり、アバランシェ・フォトダイオードを使用するので、光デマルチプレクサの光挿入損失と略同等の受信器感度電力の損失が生じる。一般的に、光前置増幅器を使用する通信受信器は、高感度及び低電力の両方に対し最適化されておらず、また、単一の組立体内に含まれていない。更に、一部の光通信受信器では、レーザドライバが必要な場合がある。レーザダイオードに動力を与えるのに必要な電流を供給するには、1つの電気回路が使用され、この電気回路が、レーザドライバに動力を供給するが、自分自身の電力も放散する。制御回路内で放散されるこの電力は、本質的には、無駄な電力であり、というのは、この電力は、光子に変換されないからである。
【0005】
一部の現行設計の注入型レーザダイオードドライバは、注入型レーザダイオードに調整された電流を供給するために、リニアパストランジスタを使用する。この方法は、結果として、デバイスの両端の一定電圧、及び、デバイスを流れる一定電流をもたらし、これは、大量の電力を放散する。例えば、一部の従来設計では、注入型レーザダイオードドライバによって放散される電力全体の略90%は、リニアパストランジスタ内で発生する。従って、注入型レーザダイオードにクリーンな電流源を供給する要件と解決策が必要である。
【0006】
本発明は、注入型レーザダイオードと、注入型レーザダイオードに接続され、注入型レーザダイオードを流れる固定電流を定める電流源制御ループ回路と、注入型レーザダイオード、及び、電流源制御ループ回路に接続される電圧切替え回路を含み、電圧切替え回路は、固定供給電圧を受取り、且つ、注入型レーザダイオードにバイアスをかけて最小の電力損失を有する光ファイバ接続されるレーザ出力を生成するよう、供給電圧を、順方向電圧に誘導的に変換するよう適応される、レーザドライバを含む。
【0007】
本発明は、軽量、及び、低電力が要求される先端民間用及び軍用飛行機といった低電力適用用の光増幅される前置増幅器を駆動する低電力レーザドライバを、好都合に提供する。
【0008】
本発明のレーザドライバは、注入型レーザダイオードと、注入型レーザダイオードに接続され、注入型レーザダイオードを流れる固定電流を定める電流源制御ループ回路とを有利に含む。電圧切替え回路が、注入型レーザダイオード、及び、電流源制御ループ回路に接続される。この電圧切替え回路は、固定供給電圧を受取り、且つ、注入型レーザダイオードにバイアスをかけて最小の電力損失を有する光ファイバ接続されるレーザ出力を生成するよう、供給電圧を、順方向電圧に誘導的に変換するよう適応される。
【0009】
高効率電流源が、注入型レーザダイオードに接続される。電圧切替え回路は、単一の回路チップとしてモノリシック構造に形成される。電流源制御ループ回路は、少なくとも1つ電子部品を有する電流源の脚も含む。電圧切替え回路は、電流源の脚の少なくとも1つの構成要素の両端に最小の電圧降下があるよう変化する出力を有する。注入型レーザダイオードは、高量子効率レーザダイオードを含む。固定供給電圧は、半導体技術において一般的に使用されるように、約5ボルトである。
【0010】
注入型レーザダイオード、電流源制御ループ回路、及び、電圧切替え回路により形成されるレーザドライバ回路は、レーザドライバハウジング内に受容される一体式レーザドライバを形成する。本発明の更なる面において、外部のブラッググレーティングが、注入型レーザダイオードに動作上接続され、光出力を受取り、出力の光波長を安定化する。この外部のブラッググレーティングは、熱電気クーラを排除するために使用する。
【0011】
本発明を、添付図面を参照しながら、例示的に以下に説明する。
【0012】
電力省力化は、注入型レーザダイオードを流れる所望の電流に設定される標準電流源制御ループ構成を用いて達成される。電流源は、無駄な電力、即ち、注入型レーザダイオードに供給されない電力の量を最小限にする最新の構成要素を用いて最適化されている。レーザダイオードは更に、高効率可変電圧切替え器である電流源を有する。高効率可変電圧切替え器は、電流源の脚にある各構成要素の両端に最小の電圧降下があるよう変動する出力電圧を有し、従って、過剰な電力を無駄にしない。この電力省力化は、システムにおける他の回路に転用することが可能であり、且つ、電池により動かされる装置を、経済的及びエネルギー的に節約して、長く使うことを可能にする。
【0013】
非効率的なリニアドライバを置き換えるよう切替え電流源を使用して、光前置増幅器内の注入型レーザダイオードを駆動する。多くの従来技術のデバイスに使用される現行の注入型レーザダイオードは、エルビウムドープ利得素子に光電力を供給するには、非効率的で、且つ、300mWのオーダで動作する。
【0014】
一部の注入型レーザダイオードドライバは、リニアパストランジスタを用いて、調整された電流を、注入型レーザダイオードに供給する。この結果、デバイスの両端の一定電圧、及び、デバイスを流れる一定電流がもたらされ、それにより、大量の電力が放散される。一部の場合においては、略90%の電力放散がパストランジスタにおいて生じる。
【0015】
本発明は、切替えパストランジスタから注入型レーザダイオードに、クリーンな電流が供給されることを可能にする。切替えパストランジスタは、「完全にオン」モードと「完全にオフ」モードで交互に動作する。「完全にオン」モードのときは、トランジスタの両端には電圧がない。「完全にオフ」モードの時は、トランジスタには電流が流れない。この結果、切替えパストランジスタは、放散する電力の量が少なくされる。注入型レーザダイオード、及び、エルビウムドープ利得素子の特徴に基づいて、切替え器の動作パラメータを割当てることにより、切替え器のノイズは、光増幅器の高い性能と一貫するような方法で維持される。期待される効率改善は、パストランジスタの電力が、ドライバ電力全体の約15%に減少し、注入型レーザダイオードを含む正味効率全体が、約30%までのレンジとなることである。これは、追加のファイバを、ケーブル内に置くことを可能にする。
【0016】
本発明は更に、完全に一体化され、高感度を有して最適化される、波長分割多重及び低電力光増幅された受信器を提供する。本発明の受信器は、低電力エンジニアリングを組込み、上述したようなカスタマイズ化された高効率ポンプレーザドライバと、ポンプレーザの熱電クーラレス動作を有する。これは、受信器内にシリコンに基づいたチップテクノロジを可能にする。本発明の1つの面において、1つの非制限的な例として、本発明の受信器は、100GHz(0.8nM)に基づいた2,488Gb/sチャネルにおける8つの異なるチャネルの形式で、高い感度を達成するよう最適化、且つ、一体化される。
【0017】
本発明の受信器は、上述したように多数の波長を有するシングル入力ファイバを使用する。受信器は、前置増幅器として作用する低ノイズの、利得平坦化されたエルビウムドープファイバ増幅器を有し、増幅器の後に、チャネル毎の出力電力における変動が少ない低損失デマルチプレクサが続く。受信器アレイが次に続き、各受信器には、PIN検出器及び高速電子部品が含まれる。
【0018】
シングルチャンネル、又は、波長光ファイバ通信リンクの帯域幅は、送信器及び受信器において必要とされる高速電子部品によって制限される。様々なチャネルデータ転送速度が知られているが、本発明では、約2.5Gb/sのデータ転送速度に対して説明する。当然のことながら、速いデータ転送速度を有する設計を用いることも可能である。シングルチャネル光ファイバ通信リンク用の一部の最新光受信器は、2.488Gb/sで動作し、−34dBmの入射光電力では、1×10−11のビット/エラー率での動作に制限される。波長分割多重(WDM)は、電子部品の速度を上げる必要なく、光ファイバ通信リンクの帯域幅を増加する。この技術は、多数のチャネル及び波長を多重化する。各チャネル及び波長は、非制限的な例として、1つのファイバに、2,488Gb/sで変調される。これは、ファイバのビットレートが、N×2.488Gb/s(ただし、N=2、3、4、…)となるよう総計が取られる。受信器では、光チャネルは、分離、且つ、多重分離されて、個々の2.488Gb/s受信器に送られる。
【0019】
多重分離処理は理想的ではなく、また、光損失を生じさせるので、受信器感度全体を下げてしまう。このことは、送信長を短くしてしまう。本発明の、エルビウムドープファイバテクノロジに基づいた光前置増幅器を組込むことにより、デマルチプレクサ損失が解決され、受信器のノイズフロアよりはるか上に信号レベルを増加し、且つ、受信器の感度を増加することが可能である。エルビウムドープファイバ増幅器テクノロジは、光−電気変換器として、アバランシェ・フォトダイオードの代わりにPIN検出器を用いることを可能にする。個々の構成要素を最適化し、それらを、1つのユニットに組込むことにより、本発明は、現在利用可能なテクノロジに対し伝送距離を増加するだけでなく、機器ラック空間の容積を減少する。
【0020】
図1は、波長分割多重光ネットワーク10を示す。このネットワークでは、様々な信号λ1、λ2、λ3、及び、λ4は、光ファイバ線としての複数の光ファイバチャンネル12を介してトランク光ファイバ14に入り、更に、インラインエルビウムドープファイバ増幅器中継器16に入り、スターカプラ18に到達する。異なる信号ブランチ20(ON−1、…、ON−N)が、スターカプラ18から延在する。ここでは、1つのブランチ(又は、チャンネル)が、光受信器28、低ノイズエルビウムドープファイバ増幅器22、及び、例えば、2.5Gb/sで作動するフォトレシーバ26が後に続く光バンドパスチューナブルフィルタ24を有するものとして示す。
【0021】
図2は、30において、ハウジング内に収容される本発明の光増幅される受信器、又は、本発明の別の面として、1つの印刷回路カード組立体31上の本発明の光増幅される受信器を示す。1つの面では、構成要素は、単一の印刷回路カード組立体上に取り付けられ、印刷回路カード組立体は、1つのハウジング内に取り付け可能であり、それにより、一体式受信器組立体を形成する。以下の説明は、2.5Gb/sの非制限的なデータ転送速度を用いて進めるが、当業者は、本発明は、異なるデータ転送速度にも適用可能であることを理解するものとする。
【0022】
図2に示すように、信号Psは、光前置増幅器として機能するエルビウムドープファイバ前置増幅器32に入る。図示する前置増幅器32、チューナブルバンドパスフィルタ回路34、及び、光−電気変換回路36の相対動作パラメータは、適切なブロックに示す。バンドパスフィルタは、光前置増幅器から信号を受信し、信号チャンネルを選択し、光前置増幅器により生成されるノイズを除去する。
【0023】
本発明のチューナブルバンドパスフィルタ回路34は、図4及び図5に示すように、パワースプリッタ40及び光バンドパスチューナブルフィルタ42を含む。パワースプリッタ40は、カスケード接続される3−dBカプラ44として示す。
【0024】
光−電気変換回路36は、PIN検出器(ダイオード)50と、その後に続く低ノイズ電気増幅器52を含む。電子制限増幅器54は、決定回路56と共に機能し、データリカバリを可能にし、且つ、電気通信信号を再整形する。一方で、クロックリカバリ回路58が、クロック信号のリカバリを可能にし、且つ、電気通信信号をリタイミングする。
【0025】
図3は、本発明の低電力レーザドライバ回路60を示す。この低電力レーザドライバ回路60は、光前置増幅器及び受信器組立体を駆動するために用いられる。5ボルトの供給電圧入力が、多くの電子回路において標準的である。レーザドライバ回路60は、高量子効率注入型レーザダイオード(HQEILD)である注入型レーザダイオード62を含む。電流源制御ループ回路64が、注入型レーザダイオード62に接続され、注入型レーザダイオードを通る固定電流を定める。この電流源制御ループ回路64は、電流源制御ループ回路内に、注入型レーザダイオードに接続される電圧切替え回路チップ66を有し、5ボルトの固定供給電圧を受取り、且つ、注入型レーザダイオードにバイアスをかけて最小の電力損失を有する光出力を生成するよう、供給電圧を、順方向電圧に誘導的に変換するよう適応される。
【0026】
この電圧切替え回路チップ66は、単一の回路チップとして、モノリシック構造に形成され、図3に示すように、高効率電圧変換器として使用される。
【0027】
電流源制御ループ回路64は、低ノイズ電流源として機能する高効率電流源70と、電流制御回路72を含む。これらの回路は全て、1つのハウジング内に収容される。また、1つの面では、前置増幅器、チューナブルバンドパスフィルタ回路、及び、光−電気変換回路といった受信器構成要素を含む印刷回路カード組立体74上に含まれる。
【0028】
概略的な回路図は、様々な電力、電圧、及び、電流パラメータを示す。この非制限的な例では、1つのチャンネルを設計目的として、260ミリワット及び5ボルトDCにおいて、35デシベルの光利得がある。8つのチャンネルに対して266ミリワットDCであってもよく、また、220ミリワットDCが達成される。ブラックグレーティング73が、注入型レーザダイオード62に動作上接続されて、当業者には周知の原理に応じて動作する。ブラッググレーティング73は、光出力を受取り、且つ、光波長を安定化するよう構成される。
【0029】
図6は、入力光電力(dBm)に対するビット誤り率(BER)の10を底とした対数を示すグラフである。矩形の点は、光増幅器のないPINのみの受信器を表し、三角形の点は、本発明の光増幅されたPIN受信器を表す。グラフには、本発明の光前置増幅された受信器を用いた場合のシステム感度は、18デシベル改善されることを示す。
【0030】
レーザドライバ回路は、注入型レーザダイオードを含む。電流源制御ループ回路は、注入型レーザダイオードに接続され、注入型レーザダイオードを流れる固定電流を定める。電圧切替え回路は、注入型レーザダイオードと電流源制御ループ回路に接続され、固定供給電圧を受取り、且つ、注入型レーザダイオードにバイアスをかけて最小の電力損失を有する光ファイバ接続されるレーザ出力を生成するよう、供給電圧を、順方向電圧に誘導的に変換するよう適応される。
【図面の簡単な説明】
【図1】
スターカプラ、及び、インラインエルビウムドープファイバ増幅器中継器に接続される、本発明の低ノイズ波長分割多重受信器の一例を示す高位レベル図である。
【図2】
光増幅される受信器の一例を示すブロック図である。
【図3】
光増幅される受信器の一部として使用される、本発明のレーザドライバ/電力変換器の一例を示すブロック図である。
【図4】
パワースプリッタ/光バンドパスチューナブルフィルタ、デマルチプレクサの一例を示すブロック図である。
【図5】
パワースプリッタを示す概念図である。
【図6】
dBmで示す入力光電力に対するビッド誤り率を示すグラフである。
Claims (9)
- 注入型レーザダイオードと、
上記注入型レーザダイオードに接続され、上記注入型レーザダイオードを流れる固定電流を定める電流源制御ループ回路と、
上記注入型レーザダイオード、及び、上記電流源制御ループ回路に接続される電圧切替え回路と、を含み、
上記電圧切替え回路は、固定供給電圧を受取り、且つ、上記注入型レーザダイオードにバイアスをかけて最小の電力損失を有する光ファイバ接続されるレーザ出力を生成するよう、上記供給電圧を、順方向電圧に誘導的に変換するよう適応される、レーザドライバ。 - 上記注入型レーザダイオードに高効率電流源が接続され、
上記電圧切替え回路は、単一の回路チップとしてモノリシック構造に形成され、
上記電流源制御ループ回路は、少なくとも1つの構成要素を有する電流源の脚を含み、
上記電圧切替え回路は、上記電流源の脚の少なくとも1つの構成要素の両端に最小の電圧降下があるよう変化する出力を有する、請求項1記載のレーザドライバ。 - 上記注入型レーザダイオードは、高量子効率レーザダイオードを含み、
上記固定供給電圧は、約5ボルトである請求項1記載のレーザドライバ。 - ハウジングと、
上記ハウジング内に取り付けられるレーザドライバ回路と、を含み、
上記レーザドライバ回路は、
注入型レーザダイオードと、
上記注入型レーザダイオードに接続され、上記注入型レーザダイオードを流れる固定電流を定める電流源制御ループ回路と、
上記注入型レーザダイオード、及び、上記電流源制御ループ回路に接続される電圧切替え回路と、を含み、
上記電圧切替え回路は、固定供給電圧を受取り、且つ、上記注入型レーザダイオードにバイアスをかけて最小の電力損失を有する光ファイバ接続されるレーザ出力を生成するよう、上記供給電圧を、順方向電圧に誘導的に変換するよう適応される、一体式レーザドライバ。 - 上記注入型レーザダイオードに接続される高効率電流源を含み、
上記電圧切替え回路は、単一の回路チップとしてモノリシック構造に形成され、
上記電流源制御ループ回路は、少なくとも1つの構成要素を有する電流源の脚を更に含み、
上記電圧切替え回路は、上記電流源の脚の少なくとも1つの構成要素の両端に最小の電圧降下があるよう変化する出力を有し、
上記注入型レーザダイオードは、高量子効率レーザダイオードを含み、
上記固定供給電圧は、約5ボルトである、請求項4記載のレーザドライバ。 - 注入型レーザダイオードと、
上記注入型レーザダイオードに接続され、上記注入型レーザダイオードを流れる固定電流を定める電流源制御ループ回路と、
上記注入型レーザダイオード、及び、上記電流源制御ループ回路に接続される電圧切替え回路と、を含み、
上記電圧切替え回路は、固定供給電圧を受取り、且つ、上記注入型レーザダイオードにバイアスをかけて最小の電力損失を有する光ファイバ接続されるレーザ出力を生成するよう、上記供給電圧を、順方向電圧に誘導的に変換するよう適応され、
更に、上記注入型レーザダイオードに動作上接続され、上記光出力を受取り、且つ、上記光波長を安定化するブラックグレーティングを含む、レーザドライバ。 - 上記注入型レーザダイオードに接続される高効率電流源を含み、
上記電圧切替え回路は、単一の回路チップとしてモノリシック構造に形成され、
上記電流源制御ループ回路は、少なくとも1つの電子的構成要素を有する電流源の脚を更に含み、
上記電圧切替え回路は、上記電流源の脚の少なくとも1つの電子的構成要素の両端に最小の電圧降下があるよう変化する出力を有し、
上記注入型レーザダイオードは、高量子効率レーザダイオードを含み、
上記固定供給電圧は、約5ボルトである、請求項6記載のレーザドライバ。 - レーザドライバハウジングと、
上記レーザドライバハウジング内に取り付けられるレーザドライバ回路と、を含み、
上記レーザドライバ回路は、
注入型レーザダイオードと、
上記注入型レーザダイオードに接続され、上記注入型レーザダイオードを流れる固定電流を定める電流源制御ループ回路と、
上記注入型レーザダイオード、及び、上記電流源制御ループ回路に接続される電圧切替え回路と、を含み、
上記電圧切替え回路は、固定供給電圧を受取り、且つ、上記注入型レーザダイオードにバイアスをかけて最小の電力損失を有する光ファイバ接続されるレーザ出力を生成するよう、上記供給電圧を、順方向電圧に誘導的に変換するよう適応され、
更に、上記注入型レーザダイオードに動作上接続され、上記光出力を受取り、且つ、上記光波長を安定化するブラックグレーティングを含む、一体式レーザドライバ。 - 上記注入型レーザダイオードに接続される高効率電流源を含み、
上記電圧切替え回路は、単一の回路チップとしてモノリシック構造に形成され、
上記電流源制御ループ回路は、少なくとも1つの構成要素を有する電流源の脚を更に含み、
上記電圧切替え回路は、上記電流源の脚の少なくとも1つの構成要素の両端に最小の電圧降下があるよう変化する出力を有し、
上記注入型レーザダイオードは、高量子効率レーザダイオードを含み、
上記固定供給電圧は、約5ボルトである、請求項8記載のレーザドライバ。
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