JP2005268429A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】自己温度に応じて出射光量が変動する発光素子を用いた光変調器を、休止状態からでも正常に発光させる光変調器を提供する。
【解決手段】送信用発光素子に対し熱結合されたダミー用発光素子を設け、送信用発光素子とダミー用発光素子を差動的に動作させ、送信用発光素子が休止状態ではダミー用発光素子を発光状態に維持させ、ダミー用発光素子の発光により送信用発光素子の温度を駆動状態の温度に維持し、送信モードに転換した場合に、１個目のパルスの発光から駆動状態と同一の温度下で発光させ、正常なパルス光を発生させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は光変調器に関し、特に簡素な構成により、発光素子の出射光量の熱安定化を達することを可能とした光変調器を提供しようとするものである。

光変調器に用いられる発光素子としては、一般にレーザダイオードや発光ダイオードが用いられる。これらの発光素子は駆動電流量に応じた出射光量を取り出すことができるため、簡易な構成で光変調器を構成することができる。
然し乍ら、発光素子は温度変動に対する出射光量の変動が比較的大きいため、従来より出射光量の安定化に各種の提案がなされている（特許文献１、特許文献２、特許文献３）。
図３に代表的な熱安定化手段を備えた光変調器の例を示す。発光素子１は差動駆動回路２の一方の出力電流経路に接続され、入力端子２Ａと２Ｂに供給される送信データＰＡ、ＰＢ（図４参照）で駆動される。発光素子１の出射光は光ファイバ等の光伝送路３に取り出されて受信側に送り出されると共に、その一部はモニタ用の受光素子４に受光され、受光素子４から発光素子１の出射光量に対応したモニタ信号を発生する。

モニタ信号はバイアス制御回路５に入力され、このバイアス制御回路５で基準値と比較される。バイアス制御回路５はモニタ信号の強度が基準値より不足の場合は増加制御信号を出力し、過剰の場合は減少制御信号を出力する。これらの制御信号は差動駆動回路２に備えた定電流回路２Ｃに入力され、定電流回路２Ｃを流れる電流を増加又は減少方向に制御する。
つまり、発光素子１の出射光量が基準値より低下した場合は定電流回路２Ｃを流れる電流を増加方向に制御し、また発光素子１の出射光量が基準値を越えている場合は定電流回路２Ｃを流れる電流を減少方向に制御する。このようにして出射光量を常時一定値を保つように制御する。

更に、熱的な安定化手段として温度センサ６が設けられる。温度センサ６は発光素子１の温度変化を検出し、その検出信号を温度制御回路７に入力し、温度制御回路７により発光素子１の温度変化に応じて定電流回路２Ｃを流れる電流を制御し、発光素子１の温度変化に伴って発生する出射光量の変動を抑制する制御が施される。
図５は従来技術の他の例を示す。この例では複数の端末を共通の光伝送路３に接続し、複数の端末から局に光信号を送信する場合に用いるバースト機能付の光変調器の構成を示す。複数の端末に設けられた発光素子１が共通の光伝送路３に光結合されるため、送信が許可された光変調器のみが駆動状態に制御され、他の端末の光変調器は休止状態に制御する必要がある。

つまり、図３に示した光変調器の場合は送信側と受信側が１対１で対応する場合に用いられる光変調器である。図３に示した光変調器では休止状態にある発光素子１を完全にオフの状態にせずに或る値のアイドリング電流を流している。このアイドリング電流によってわずかに励起状態に維持し、このわずかな励起状態を「０」論理に対応させ、この「０」論理と所定光量を「１」論理として送信する光パルスを規定している。
ところで、複数の端末を共通の光伝送路に光結合させ、送信が許可された端末の光変調器のみを動作させるバースト機能付の光変調器の場合、送信が許されていない光変調器の発光素子がわずかに励起された状態で共通の光伝送路に光結合されていると、わずかな励起光が光伝送路に洩れ出し、通信を阻害することになる。このために複数の光変調器を共通の光ファイバに結合する構成を採る場合は、休止中の光変調器では発光素子１に流れる電流は完全にオフの状態に制御される。

図５に示す８はこのための切替制御回路を示す。この切替制御回路８は制御信号入力回路９から与えられる制御信号に従って制御される。制御信号入力回路９には入力端子９Ａから、送信が許可されたか否かを表わす制御信号ＰＣ（図６Ｃ）が入力される。制御信号ＰＣは送信許可時に「１」論理となる。送信許可時に入力端子９Ａに「１」論理が入力されると、切替制御回路８に設けたスイッチ素子８Ａがオン、８Ｂがオフの状態に制御される。スイッチ素子８Ａがオンの状態に制御されることにより、差動駆動回路２は動作が可能な状態となる。従って、この状態で入力端子２Ａ、２Ｂに送信すべきデータ信号ＰＡ，ＰＢ（図６Ａ、図６Ｂ参照）が入力されると、発光素子１はデータ信号に従って明滅し、データを光伝送路３に送信することができる。

送信が終了し、送信すべきデータが無になると、制御信号ＰＣも「０」論理に戻る。制御信号ＰＣが「０」論理に戻ると、スイッチ素子８Ａがオフ、スイッチ素子８Ｂがオンの状態に制御される。スイッチ素子８Ａがオフの状態に制御されることにより発光素子１に流れる電流は完全にオフの状態に制御され、発光素子１と光伝送路３との結合は切り離される。その他の構成は図３と同様であるから、ここではこれ以上の説明は省略する。
特開平９−１９１１４６号公報 特開平１０−１９０１１８号公報 特開平１０−３２７１０７号公報

図３に示した光変調器の場合、休止期間中は発光素子１にわずかな値のアイドリング電流が流れるものの、駆動時と比較すると、そのアイドリング電流の値はわずかである。このために、休止期間と駆動状態とで発光素子１の温度が大きく変動することになる。この温度変動による影響は温度制御回路７で制御されるが、休止期間から駆動状態に入る１個目のパルスの送信時点では温度制御が間に合わず、送信開始の初期の時点で送信パルス光を正常に出力できない不都合が生じる。
図７を用いてその理由を説明する。図７はレーザダイオードの駆動電流と出射光量の温度特性を示す。曲線Ａはレーザダイオードの温度（自己温度）が３０℃の場合の駆動電流対出射光量の特性を示す。また曲線Ｂはレーザダイオードの自己温度が４０℃の場合の駆動電流と出射光量の特性、曲線Ｃはレーザダイオードの自己温度が５０℃の場合の駆動電流と出射光量の特性を示す。

これらの曲線Ａ、Ｂ、Ｃから明らかなように、同一駆動電流を印加した状態でもレーザダイオードの自己温度が低下すると出射光量が大きく増大することが解る。このために、光変調器を構成するレーザダイオードの自己温度が休止期間中に低下したとすると、休止期間から送信モードに転換する初期の状態では（レーザダイオードの励起速度を速める手段により高速に立上がりを可能とした場合）出射光量は大きく増加し、送信すべきパルス光の光量差が小さくなり、「１」論理と「０」論理の区別がつかなくなる不都合が生じる。

尚、バイアス制御回路５が備えられていることから、この過大発光状態はバイアス制御回路５の制御動作によって制御されるものと考えられるが、バイアス制御回路５の制御は閉ループを構成し、発光量が過大であることを検出して制御動作を開始するから、制御に遅れを生じ、送信モードへの転換直後では制御が間に合わない。
特に、図５に示したバースト機能付の光変調器の場合、休止期間中は発光素子１には全く電流が流されないため、発光素子１の温度は周囲温度まで低下し、送信開始時点から正常な送信状態に安定するまでに時間が掛かる欠点がある。このため、例えば送信開始の毎に、予めダミー信号を発生させ、ダミー信号送信中に発光素子１の発光状態を正常状態に到達させる方法を採る場合もあるが、このようにダミー信号を用いると、各端末における光伝送路の占有時間が長くなり、光伝送路の利用効率が悪くなる欠点が生じる。

この発明の目的は簡単な構成で休止期間からの立上りが速い光変調器を提供しようとするものである。

この発明の請求項１では、熱的に結合された送信用発光素子及びダミー用発光素子と、これら送信用発光素子及びダミー用発光素子を差動的に駆動する差動駆動回路によって構成した光変調器を提案する。
この発明の請求項２では、熱的に結合された送信用発光素子及びダミー用発光素子と、送信用発光素子を送信データに従って駆動する駆動回路と、この駆動回路とダミー用発光素子を差動的に駆動する切替制御回路と、この切替制御回路に送信データの有無を表わす制御信号に従って差動信号を入力し、送信データの入来時に駆動回路を駆動状態に制御し、送信データの無入力時に駆動回路の動作を休止させ、この間ダミー用発光素子を点灯させる制御信号入力回路を具備する光変調器を提案する。

この発明の請求項３では、請求項１又は２記載の光変調器の何れかにおいて、送信用発光素子とダミー用発光素子が出射する出射光を受光する受光素子と、この受光素子の受光信号により送信用発光素子及びダミー用発光素子を流れる電流を制御し、出射光の光量を一定値に維持する制御を行うバイアス制御回路を設けた構成とした光変調器を提案する。
この発明の請求項４では、請求項１又は２記載の光変調器の何れかにおいて、送信用発光素子とダミー用発光素子の温度変化を検出する温度センサと、この温度センサの検出信号により送信用発光素子とダミー用発光素子を流れる電流を制御し、送信用発光素子及びダミー用発光素子の出射光量を一定値に維持する制御を行う温度制御回路を設けた構成とした光変調器を提案する。

この発明によれば送信用発光素子に加えてこの送信用発光素子と熱結合したダミー用発光素子を設け、送信用の発光素子が休止している期間ではダミー用の発光素子を発光させる。従って、送信用発光素子が休止していても、この送信用発光素子の温度はダミー用の発光素子の発光により駆動状態の温度に維持される。この結果、休止期間からデータの送信状態に転換しても、その立上りの１個目のパルスの発光時点から送信用発光素子の温度は駆動時の温度で発光するため、１個目のパルスから正常に「１」と「０」を区別することができるパルス光を発光することができる。

特に、バーストモード機能を具備した光変調器であっても、送信用の光変調器が休止中に電流が全くオフの状態に制御されていても、ダミー用の発光素子が発光し、その発光によりダミー用の発光素子の温度は駆動状態の温度に維持され、その温度が送信用の発光素子に与えられるから、休止状態から送信状態に転換しても１個目のパルスの発光時点から送信用発光素子は駆動状態の温度下で発光することができ、１個目のパルスから正常なパルス光を発光することができる。

［第１実施形態］
図１にこの発明の第１の実施形態を示す。図１において、図３と対応する部分には同一符号を付し、その重複説明は省略するが、この発明では差動駆動回路２の一方の電流出力経路に送信用発光素子１Ａを接続し、他方の電流出力経路にダミー用発光素子１Ｂを接続する。これら送信用発光素子１Ａとダミー用発光素子１Ｂは例えば同一半導体チップ上に形成されたレーザダイオードとすることができ、同一半導体チップを共用して熱的に結合され、電気的には絶縁される。送信用発光素子１Ａとダミー用発光素子１Ｂは必ずしも発光特性等が一致していなくてもよく、駆動電流の値に対してほぼ同一の出射光が得られればよい。

受光素子１４はこの例ではフォトダイオードを用いた場合を示す。この受光素子１４は発光素子１Ａと１Ｂが出射する出射光を受光し、出射光の和に相当するモニタ信号を出力する。
送信用発光素子１Ａとダミー用発光素子１Ｂは差動駆動回路２によって互に差動的に駆動される。従って、一方が点灯中は他方は消灯され、必ず何れか一方が点灯し、他方は消灯される。この結果、休止状態では送信用発光素子１Ａは消灯状態に維持されるが、他方のダミー用発光素子１Ｂは点灯状態に維持され、ダミー用発光素子１Ｂには駆動電流が流れ、一定の出射光量に維持される。これと共に、ダミー用発光素子１Ｂは自己発熱により温度も一定温度に維持される。従って、送信用発光素子１Ａはダミー用発光素子１Ｂの温度に維持されるから、送信モードに転換しても、１個目のパルス光の出射時点から通常の温度下で発光を開始することができ、１個目のパルス光の発光から正常なパルス光を発光することができる。
尚、バイアス制御回路５と温度制御回路７の動作は図３を用いて説明したのと同じであるから、ここではその説明は省略する。

［第２実施形態］
図２は図５を用いて説明したバースト機能付の光変調器にこの発明を適用した実施形態を示す。
この実施形態でも送信用発光素子１Ａとダミー用発光素子１Ｂは互に熱結合され、電気的には絶縁される。休止モードでは入力端子９Ｃに「０」論理の制御信号ＰＣ（図６参照）が入力され、この制御信号ＰＣより切替制御回路８を構成するスイッチ素子８Ａがオフ、８Ｂがオンの状態に維持される。従って、この状態では送信用発光素子１Ａは完全にオフの状態に維持されるが、切替制御回路８のスイッチ素子８Ｂがオンに制御されるため、ダミー用発光素子１Ｂは点灯状態に維持され、その出射光量は受光素子４でモニタされ、バイアス制御回路５及び温度制御回路７により一定値に維持される。

従って、ダミー用発光素子１Ｂの自己発熱により送信用発光素子１Ａの温度は駆動状態と同一の温度に維持されるから、制御信号ＰＣが「１」論理に反転し、送信モードに転換した場合には送信用発光素子１Ａは駆動状態と同一温度下で発光することができる。従って、送信すべきデータの１個目のパルスから正常なパルス光を発光することができる。
上述したように、この発明によれば簡単な構成により休止状態から送信モードに転換した際に、バイアス制御回路５及び温度制御回路７の応答の遅れに関係なく、直ちに１個目の光パルスから正常なパルス光を発光できる利点が得られる。

この発明による光変調器は光通信の分野に活用することができる。

この発明の第１の実施形態を説明するための接続図。 この発明の第２の実施形態を説明するための接続図。 従来の技術を説明するための接続図。 図３の動作を説明するための波形図。 従来の技術の他の例を説明するための接続図。 図５の動作を説明するための波形図。 発光素子の駆動電流と出射光量との間の温度特性を説明するためのグラフ。

符号の説明

１Ａ 送信用発光素子 ５ バイアス制御回路
１Ｂ ダミー用発光素子 ６ 温度センサ
２ 差動駆動回路 ７ 温度制御回路
３ 光伝送路 ８ 切替制御回路
４ 受光素子 ９ 制御信号入力回路

Claims (4)

1. 熱的に結合された送信用発光素子及びダミー用発光素子と、
   これら送信用発光素子及びダミー用発光素子を差動的に駆動する差動駆動回路と、
   によって構成したことを特徴とする光変調器。
2. 熱的に結合された送信用発光素子及びダミー用発光素子と、
   上記送信用発光素子を送信データに従って駆動する駆動回路と、
   この駆動回路と上記ダミー用発光素子を差動的に駆動する切替制御回路と、
   この切替制御回路に上記送信データの有無を表わす制御信号に従って差動信号を入力し、上記送信データの入来時に上記駆動回路を駆動状態に制御し、上記送信データの無入力時に上記駆動回路の動作を休止させ、この間上記ダミー用発光素子を点灯させる制御信号入力回路と、
   を具備することを特徴とする光変調器。
3. 請求項１又は２記載の光変調器の何れかにおいて、
   上記送信用発光素子とダミー用発光素子が出射する出射光を受光する受光素子と、
   この受光素子の受光信号により上記送信用発光素子及びダミー用発光素子を流れる電流を制御し、上記出射光の光量を一定値に維持する制御を行うバイアス制御回路と、
   を設けた構成としたことを特徴とする光変調器。
4. 請求項１又は２記載の光変調器の何れかにおいて、
   上記送信用発光素子とダミー用発光素子の温度変化を検出する温度センサと、
   この温度センサの検出信号により上記送信用発光素子とダミー用発光素子を流れる電流を制御し、上記送信用発光素子及びダミー用発光素子の出射光量を一定値に維持する制御を行う温度制御回路と、
   を設けた構成としたことを特徴とする光変調器。

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