JP2006275705A - 受光素子の温度特性補償装置及び温度特性補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 受光素子によって高精度に広範囲の光強度を検出すると同時に、受光素子の温度特性補償を行う受光素子の温度特性補償装置を提供する。
【解決手段】 光モジュールの光路に受光素子２を設け、その受光素子２で光路を伝送する光信号の光強度をモニタし、その受光素子２で検出した受光素子出力を基に、光信号の強度を調節すると共に、受光素子２の温度特性補償を行うための受光素子の温度特性補償装置１において、予め受光素子２の周囲温度ごとに受光素子出力と光信号の光強度との関係を示す温度特性曲線を求め、これに基づいた温度特性データを作成して制御手段５に格納しておき、その制御手段５により、光モジュール動作時に、受光素子出力と受光素子２の周囲温度とを基に、温度特性データを参照して光信号の強度を調節すると共に、受光素子２の温度特性補償を行うものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光モジュールに用いられて光信号の光強度をモニタする受光素子の温度特性補償装置及び温度特性補償方法に関する。

受光素子は光システムにおいて重要となる信号光強度のモニタリングに広く使用されている。受光素子（ここでは、受光素子の一例としてＰＤ（フォトダイオード））は理想的には図５に示すようにその出力が受光強度に対して線形となるが、実際には図６に示すように微弱な信号に対する検出感度が低く、一方で強い信号に対しても飽和により感度が下がる。また、受光素子で検出された光は電流値として認識されるが、周囲温度により暗電流が変動するため、これが温度特性の原因となる。

従来の受光素子の温度特性補償としては、温度特性が対象となる受光素子と逆である温度補償用ダイオードを利用し、温度特性を相殺する技術がある。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平６−２５８１４０号公報

しかしながら、前記した従来の技術では、新たに温度補償ダイオードを含めた温度補償回路が必要となり、さらに受光素子の応答特性が線形となる領域のみを考慮しているため、広範囲の光強度領域に対しての検出が難しい。

現在、波長多重光伝送システムでは波長ごとの光強度を平坦化することが必要不可欠であり、波長ごとに可変光減衰器が使用されている。近年、波長多重光伝送システムで用いられる光モジュールとして、光合分波器（ＭＵＸ／ＤＥＭＵＸ）の各チャネルに可変光減衰器を搭載したＶＯＡ−ＭＵＸ／ＤＥＭＵＸ（ＶＭＵＸ）モジュール（可変光減衰機能付き光合分波器）や、さらに光経路の切り換えを行うスイッチング素子を搭載した多機能集積型光モジュールの開発が進んでいる。図７に一例としてＶＯＡ−ＤＥＭＵＸを示す。

ＶＭＵＸモジュール７１は、光信号を分波するアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）７２と、分波した各光信号の減衰量をそれぞれ制御する複数個の可変光減衰素子７３からなる光可変減衰器（ＶＯＡ）７４と、各可変光減衰素子７３の出力光強度の一部をそれぞれモニタするための複数個のモニタＰＤ７５とを備えている。各可変光減衰素子７３と各モニタＰＤ７５とは、分波した光信号が伝送する各光路にそれぞれ設けられる。

このＶＭＵＸモジュール７１では、光信号を分波する場合、コントロールボード７６により、各モニタＰＤ７５で検出したＰＤ出力を基に、各可変光減衰素子７３を調整して分波した各光信号の強度を調節する。ＡＷＧ７２は光信号を合分波する光合分波素子の一例である。

これらの光モジュールでは、減衰した微弱な信号から実際に通信で使用するレベルまで、広範囲におよぶ光強度のモニタリングが求められる。

そこで、本発明の目的は、受光素子によって高精度に広範囲の光強度を検出すると同時に、受光素子の温度特性補償を行う受光素子の温度特性補償装置及び温度特性補償方法を提供することにある。

本発明は前記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、光モジュールの光路に受光素子を設け、その受光素子で光路を伝送する光信号の光強度をモニタし、その受光素子で検出した受光素子出力を基に、光信号の強度を調節すると共に、受光素子の温度特性補償を行うための受光素子の温度特性補償装置において、予め受光素子の周囲温度ごとに受光素子出力と光信号の光強度との関係を示す温度特性曲線を求め、これに基づいた温度特性データを作成して制御手段に格納しておき、その制御手段により、光モジュール動作時に、受光素子出力と受光素子の周囲温度とを基に、前記温度特性データを参照して光信号の強度を調節すると共に、受光素子の温度特性補償を行う受光素子の温度特性補償装置である。

請求項２の発明は、前記温度特性データは、前記温度特性曲線を複数個の領域に分割し、分割したそれぞれの領域において直線または曲線で近似し、その曲線または直線の近似式を求め、これに基づいて作成される請求項１記載の受光素子の温度特性補償装置である。

請求項３の発明は、前記直線の近似式を
ｆ_i（Ｔ，ｘ）＝ａ_i（Ｔ）ｘ＋ｂ_i（Ｔ） （１）
ｉ：任意の分割領域（１≦ｉ≦ｎ）、Ｔ：温度、ｘ：受光素子出力値
であり、前記近似式の傾きａ_i（Ｔ）を各温度における傾きの近似関数
ａ_ipＴ^p＋ａ_ip-1Ｔ^p-1＋…＋ａ_i0 （２）
ｐ：Ｔの次数
で近似し、前記近似式の切片ｂ_i（Ｔ）を各温度における切片の近似関数
ｂ_ipＴ^p＋ｂ_ip-1Ｔ^p-1＋…＋ｂ_i0 （３）
で近似した請求項２記載の受光素子の温度特性補償装置である。

請求項４の発明は、前記温度特性データは、前記式（１）〜（３）と、前記傾きの近似関数の係数と、前記切片の近似関数の係数とで構成される請求項３記載の受光素子の温度特性補償装置である。

請求項５の発明は、前記光モジュールは、光信号出力機能と、出力信号光強度を制御するためのモニタ受光素子と、出力信号制御機能とを有する請求項１〜４いずれかに記載の受光素子の温度特性補償装置である。

請求項６の発明は、前記光モジュールは、光信号を合分波する光合分波素子と、光信号の減衰量を制御する可変光減衰素子と、可変光減衰素子の出力光強度の一部をモニタするためのモニタ受光素子とを有する可変光減衰機能付き光合分波器である請求項１〜４いずれかに記載の受光素子の温度特性補償装置である。

請求項７の発明は、前記光モジュールは、光信号を合分波する光合分波素子と、光信号の減衰量を制御する可変光減衰素子と、光経路の切り換えを行うスイッチング機能と、出力信号光強度の一部をモニタするためのモニタ受光素子とを有する多機能集積型光モジュールである請求項１〜４いずれかに記載の受光素子の温度特性補償装置である。

請求項８の発明は、前記モニタ受光素子の温度特性曲線は、前記モニタ受光素子の出力値と、光モジュール出力光強度の測定値とから求められる請求項６または７記載の受光素子の温度特性補償装置である。

請求項９の発明は、光モジュールの光路に受光素子を設け、その受光素子で光路を伝送する光信号の光強度をモニタし、その受光素子で検出した受光素子出力を基に、光信号の強度を調節する受光素子の温度特性補償方法において、予め受光素子の周囲温度ごとに受光素子出力と光信号の光強度との関係を示す温度特性曲線を求め、これに基づいた温度特性データを作成しておき、光モジュール動作時に、受光素子出力と受光素子の周囲温度とを基に、前記温度特性データを参照して光信号の強度を調節する受光素子の温度特性補償方法である。

本発明によれば、受光素子によって高精度に広範囲の光強度を検出すると同時に、受光素子の温度特性補償を行うことが実現できる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態を示す受光素子の温度特性補償装置の主要部を示す回路図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る受光素子の温度特性補償装置１は、光信号Ｌを受光して電気信号に変換する受光素子としてのＰＤ２と、ＰＤ２の出力を増幅する増幅器（アンプ）３と、アンプ出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ：アナログデジタルコンバータ）４と、Ａ／Ｄコンバータ出力（ＡＤ値）が入力される制御手段としてのマイコン５と、ＰＤ２の周囲温度を検出してマイコン５に出力する温度センサ６とを備えている。

ＰＤ２で検出された光信号Ｌは電流値として出力され、電圧値に変換されて増幅器３で増幅される。増幅された電圧値はＡ／Ｄコンバータ４によりＡ／Ｄ変換され、ＡＤ値としてマイコン５に入力される。

ＰＤ２は、光モジュールの光路に設けられ、光路を伝送する光信号の光強度の一部（光信号Ｌ）をモニタするものである。装置１は、例えば、図７のＶＭＵＸモジュール７１に内蔵されて使用される。この場合、ＰＤ２は図７の各モニタＰＤ７５に相当する。

マイコン５には、予めＰＤ２の周囲温度ごとにＰＤ出力と光信号Ｌの光強度との関係を示す温度特性曲線（光強度−受光素子出力値曲線、受光素子応答曲線）を求め、これに基づいた温度特性データを作成して格納しておく。

また、マイコン５は、光モジュール動作時に、ＰＤ出力と、温度センサ６により検出されるＰＤ２の周囲温度とを基に、温度特性データを参照して光モジュールの光路を伝送する光信号の強度を調節すると共に、ＬＤ２の温度特性補償を行う。

次に、ＰＤ２の温度特性データの一例を説明する。

ＰＤ２の温度特性データを作成するには、図２に示すように、まず、ＰＤ２の周囲温度Ｔ２１〜Ｔ２３ごとに、非線形となる部分が含まれるように温度特性曲線２１〜２３を広光強度範囲に対して求める。求めた温度特性曲線２１〜２３を任意の光強度を基準として複数個（図２では３個）の領域に分割し、分割されたそれぞれの領域において、分割された温度特性曲線２１〜２３を直線で近似し、直線の近似式（近似直線）を求める。図２は、領域２０において、近似直線２１Ｌ〜２３Ｌを求めた例である。

近似直線を求めた後、各光強度領域において、各温度における近似直線の傾きおよび切片を温度の近似関数で近似して数式化する。これは、図２の領域２０について言えば、各周囲温度Ｔ２１〜Ｔ２３における近似直線２１Ｌ〜２３Ｌの傾きＳ２１〜Ｓ２３を温度の近似関数で近似することで、図３に示すように、領域２０における全ての近似直線の傾きと温度に関する近似曲線３１が得られることになる。また、図示していないが、近似直線２１Ｌ〜２３Ｌの切片についても、同様にして領域２０における全ての近似直線の切片と温度に関する近似曲線が得られることになる。

これにより、領域２０について、全ての温度範囲におけるＰＤ２の温度特性曲線（非線形となる部分を含む）を近似直線で置き換えることができる。領域２０以外の２つの領域についても同様である。

以上の点を数式を用いて説明する。

例えば、温度Ｔ０における温度特性曲線をｎ個の領域に分割し、それぞれの曲線に対する近似直線Ｔ０ｉを
ｆ_T0i（ｘ）＝ａ_T0i・ｘ＋ｂ_T0i （４）
ｉ：任意の分割領域（１≦ｉ≦ｎ）、ｘ：受光素子出力値（例えば、ＡＤ値もしくはそれに類する値）
とし、同じように温度Ｔｍにおける受光素子応答曲線を同様の間隔でｎ個の領域に分割したときの近似直線Ｔｍｉを
ｆ_Tmi（ｘ）＝ａ_Tmi・ｘ＋ｂ_Tmi （５）
とする。これらの近似式より、任意の分割領域α（＝ｉ）での近似直線は、傾きと切片において温度Ｔをパラメータとした関数
ｆ_α（Ｔ，ｘ）＝ａ_α（Ｔ）ｘ＋ｂ_α（Ｔ） （６）
で表される。ここで、傾きａ_α（Ｔ）は各温度における傾きの近似関数（温度Ｔのｐ次の多項式）
ａ_αpＴ^p＋ａ_αp-1Ｔ^p-1＋…＋ａ_α0 （７）
ｐ：Ｔの次数
であり、切片ｂ_α（Ｔ）は各温度における切片の近似関数
ｂ_αpＴ^p＋ｂ_αp-1Ｔ^p-1＋…＋ｂ_α0 （８）
である。

したがって、直線の近似式は
ｆ_i（Ｔ，ｘ）＝ａ_i（Ｔ）ｘ＋ｂ_i（Ｔ） （１）
であり、式（１）の傾きａ_i（Ｔ）を各温度における傾きの近似関数
ａ_ipＴ^p＋ａ_ip-1Ｔ^p-1＋…＋ａ_i0 （２）
で近似し、式（１）の切片ｂ_i（Ｔ）を各温度における切片の近似関数
ｂ_ipＴ^p＋ｂ_ip-1Ｔ^p-1＋…＋ｂ_i0 （３）
で近似した。

よって、温度特性データとしては、温度特性補償関数としての式（１）〜（３）と、傾きの近似関数の係数と、切片の近似関数の係数とで構成されるものを用いる。

このように、受光素子の温度特性補償装置１は、マイコン５に予めＰＤ２の温度特性曲線に基づいて作成しておいた温度特性データが格納される。この温度特性データは、全ての温度範囲におけるＰＤ２の温度特性曲線（非線形となる部分を含む）を近似直線で置き換えたものである。

このため、光モジュール動作時に、マイコン５がＰＤ出力とＰＤ２の周囲温度とを基に、温度特性データを参照することで、従来と同じＰＤ２によって広光強度範囲かつ広温度範囲において、高精度に光信号Ｌを検出すると同時に、ＰＤ２の温度特性補償を行うことが実現できる。

さらに、装置１では、検出した光信号Ｌに基づいて、マイコン５によって光モジュールの光路を伝送する光信号の光強度を高精度に調節することができる。

前記実施の形態では、ＰＤ２の温度特性曲線を直線で近似した例で説明したが、ＰＤ２の温度特性曲線を曲線で近似し、その曲線の近似式を求め、これに基づいて温度特性データを作成してもよい。

装置１において、温度特性データを格納したマイコン５以外は、光モジュールに備えられていることが多いため、様々な光モジュールに装置１を簡単に内蔵することができる。

装置１を内蔵可能な光モジュールとしては、光信号出力機能と、出力信号光強度を制御するためのモニタ受光素子と、出力信号制御機能とを有するものであればよい。例えば、図７のＶＭＵＸモジュール７１や、このＶＭＵＸモジュール７１の構成に加え、光経路の切り換えを行うスイッチング機能を有する多機能集積型光モジュールなどが挙げられる。ＶＭＵＸモジュール７１に装置１を内蔵する場合には、マイコン５が有する機能をコントロールボード７６に持たせてもよい。

図１の装置１を図７のＶＭＵＸモジュール７１に内蔵した例で説明する。始めに、図７のいずれかのモニタＰＤ７５の温度特性補償関数の係数を設定することが必要である。この実施例では、各温度における傾きおよび切片の近似関数を温度Ｔの２次の多項式で近似する例で説明する。

ＶＭＵＸモジュール７１を恒温槽内で一定温度条件下におき、入力光ファイバから光強度を調節した光信号を入力すると、ＶＭＵＸモジュール７１内部では可変光減衰器７４の透過光が一定の割合（例えば、１０％）で分岐され、モニタＰＤ７５により検出される。

例えば、ＶＭＵＸモジュール７１の入力光強度ステップを２ｄＢｍ（総数２５）とし、その入力光強度をＶＭＵＸモジュール出力光が−５０〜０ｄＢｍとなるように調節し、ＶＭＵＸモジュール７１（モニタＰＤ７５）の周囲温度を−１０，２５，５０，７５℃としたとき、ＶＭＵＸモジュール７１内部の温度センサ６により検出された内部温度について、マイコン５に入力されたＡＤ値と外部の光検出器による出力光強度データをグラフ化することで、図４の○で表示された測定結果よりモニタＰＤ７５の温度特性曲線４１〜４４が求められる。

ここで適当な光強度Ｐ１，Ｐ２を選択し、光強度領域を感度の低下する光強度の微弱な領域Ｉ、温度特性曲線が線形な領域II、光強度の強い領域IIIの３つの領域に分割する。領域Ｉにおいて、−１０，２５，５０，７５℃（実際にはＶＭＵＸモジュール内部の温度センサ検出値）での近似直線４１Ｌ〜４４Ｌを求め、式（１）〜（３）により温度Ｔをパラメータに含めた近似直線
ｆ_I（Ｔ，ｘ）＝（ａ₁₂Ｔ²＋ａ₁₁Ｔ＋ａ₁₀）ｘ
＋（ｂ₁₂Ｔ²＋ｂ₁₁Ｔ＋ｂ₁₀） （９）
を導出する。同様にして領域II、IIIにおける近似直線ｆ_II（Ｔ，ｘ）、ｆ_III（Ｔ，ｘ）を導出する。

以上の近似により求められたそれぞれの光強度領域Ｉ〜IIIにおける温度特性補償関数の係数の組（ａ₁₂，ａ₁₁，ａ₁₀，ｂ₁₂，ｂ₁₁，ｂ₁₀）、（ａ₂₂，ａ₂₁，ａ₂₀，ｂ₂₂，ｂ₂₁，ｂ₂₀）、（ａ₃₂，ａ₃₁，ａ₃₀，ｂ₃₂，ｂ₃₁，ｂ₃₀）と、式（１）〜（３）とを、温度特性データとしてマイコン５（あるいはＶＭＵＸモジュール７１のコントロールボード７６）に書き込んで格納しておく。

ＶＭＵＸモジュール７１動作時には、発熱素子や周囲温度によってＶＭＵＸモジュール７１内の温度が変動する。このとき、モニタＰＤ７５の出力値（ＡＤ値）と、温度センサ６によるモニタＰＤ７５の周囲温度Ｔとを基に、マイコン５上で温度特性補償関数の演算を行う（マイコン５が温度特性データを参照して式（１）〜（３）に上述したいずれかの係数の組を代入する）ことで、高精度にＶＭＵＸモジュール出力光強度を求めることができる。

ただし、光強度Ｐ１，Ｐ２付近では温度特性補償関数の切り替えが必要となるため、その切り替え位置は温度特性補償関数の交点とする。具体的には、温度Ｔを代入した３つの近似直線ｆ_I（Ｔ，ｘ）、ｆ_II（Ｔ，ｘ）、ｆ_III（Ｔ，ｘ）から２つの交点を求め、求めた２つの交点のｘ値とＡＤ値とを比較することで、どの領域Ｉ〜IIIかを決定し、上述したいずれかの係数の組を決定する。

本実施例においては、ＶＭＵＸモジュール７１により分波する波長数Ｎだけ可変光減衰素子７３、モニタＰＤ７５を使用しており、すなわちＮ個のモニタＰＤ７５に対して各々の温度特性補償関数を求めている。これにより、各モニタＰＤ間にある応答特性のばらつきも補償することができる。

また、本実施例においては、ＶＭＵＸモジュール出力光強度（ｄＢｍ）とモニタＰＤ出力値の相関関係を基に温度特性補償関数を求めている。したがってＶＭＵＸモジュール動作時には、モニタＰＤ出力値から各波長間の相対的な光強度差だけでなく、各波長の光モジュール出力光強度（ｄＢｍ）も知ることができる。これにより、ＶＭＵＸモジュールを使用した光システムの信号光強度の監視が可能である。

前記実施例の変形例として、モニタＰＤ７５の温度特性曲線を求める測定を行う際、入力光強度および測定温度のステップを細かくすることで、より正確な温度特性補償関数が得られる。

また、モニタＰＤ７５の温度特性曲線の光強度領域での分割方法として、特にモニタＰＤ特性の劣化する領域（図４では領域Ｉ，III）の分割数を増やすことで、より高精度な光強度検出、温度特性補償が可能である。

前記実施例では、モニタＰＤ７５の温度特性曲線を光強度を基準として複数個の領域に分割したが、モニタＰＤ７５の温度特性曲線をＡＤ値を基準として複数個の領域に分割してもよい。

図１の装置１を多機能集積型光モジュール内蔵した場合も、前記実施例と同様にして実施できる。

本発明の好適な実施の形態である受光素子の温度特性補償装置を示す回路図である。 ＰＤの温度特性曲線とその近似直線の一例を示す図である。 図２に示した近似直線の傾きと温度に関する近似曲線を示す図である。 実施例におけるモニタＰＤの温度特性曲線とその近似直線を示す図である。 ＰＤの理想的な応答特性を示す図である。 ＰＤの実際の応答特性を示す図である。 ＶＭＵＸモジュールの概要図である。

符号の説明

１ 受光素子の温度特性補償装置
２ ＰＤ（受光素子）
３ 増幅器
４ Ａ／Ｄコンバータ
５ マイコン（制御手段）
６ 温度センサ

Claims (9)

1. 光モジュールの光路に受光素子を設け、その受光素子で光路を伝送する光信号の光強度をモニタし、その受光素子で検出した受光素子出力を基に、光信号の強度を調節すると共に、受光素子の温度特性補償を行うための受光素子の温度特性補償装置において、予め受光素子の周囲温度ごとに受光素子出力と光信号の光強度との関係を示す温度特性曲線を求め、これに基づいた温度特性データを作成して制御手段に格納しておき、その制御手段により、光モジュール動作時に、受光素子出力と受光素子の周囲温度とを基に、前記温度特性データを参照して光信号の強度を調節すると共に、受光素子の温度特性補償を行うことを特徴とする受光素子の温度特性補償装置。
2. 前記温度特性データは、前記温度特性曲線を複数個の領域に分割し、分割したそれぞれの領域において直線または曲線で近似し、その曲線または直線の近似式を求め、これに基づいて作成される請求項１記載の受光素子の温度特性補償装置。
3. 前記直線の近似式は
   ｆ_i（Ｔ，ｘ）＝ａ_i（Ｔ）ｘ＋ｂ_i（Ｔ） （１）
   ｉ：任意の分割領域（１≦ｉ≦ｎ）、Ｔ：温度、ｘ：受光素子出力値
   であり、前記近似式の傾きａ_i（Ｔ）を各温度における傾きの近似関数
   ａ_ipＴ^p＋ａ_ip-1Ｔ^p-1＋…＋ａ_i0 （２）
   ｐ：Ｔの次数
   で近似し、前記近似式の切片ｂ_i（Ｔ）を各温度における切片の近似関数
   ｂ_ipＴ^p＋ｂ_ip-1Ｔ^p-1＋…＋ｂ_i0 （３）
   で近似した請求項２記載の受光素子の温度特性補償装置。
4. 前記温度特性データは、前記式（１）〜（３）と、前記傾きの近似関数の係数と、前記切片の近似関数の係数とで構成される請求項３記載の受光素子の温度特性補償装置。
5. 前記光モジュールは、光信号出力機能と、出力信号光強度を制御するためのモニタ受光素子と、出力信号制御機能とを有する請求項１〜４いずれかに記載の受光素子の温度特性補償装置。
6. 前記光モジュールは、光信号を合分波する光合分波素子と、光信号の減衰量を制御する可変光減衰素子と、可変光減衰素子の出力光強度の一部をモニタするためのモニタ受光素子とを有する可変光減衰機能付き光合分波器である請求項１〜４いずれかに記載の受光素子の温度特性補償装置。
7. 前記光モジュールは、光信号を合分波する光合分波素子と、光信号の減衰量を制御する可変光減衰素子と、光経路の切り換えを行うスイッチング機能と、出力信号光強度の一部をモニタするためのモニタ受光素子とを有する多機能集積型光モジュールである請求項１〜４いずれかに記載の受光素子の温度特性補償装置。
8. 前記モニタ受光素子の温度特性曲線は、前記モニタ受光素子の出力値と、光モジュール出力光強度の測定値とから求められる請求項６または７記載の受光素子の温度特性補償装置。
9. 光モジュールの光路に受光素子を設け、その受光素子で光路を伝送する光信号の光強度をモニタし、その受光素子で検出した受光素子出力を基に、光信号の強度を調節する受光素子の温度特性補償方法において、予め受光素子の周囲温度ごとに受光素子出力と光信号の光強度との関係を示す温度特性曲線を求め、これに基づいた温度特性データを作成しておき、光モジュール動作時に、受光素子出力と受光素子の周囲温度とを基に、前記温度特性データを参照して光信号の強度を調節することを特徴とする受光素子の温度特性補償方法。
   

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