JP2008294462A - 低電力レーザドライバ - Google Patents

Abstract

【課題】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光増幅器を提供する。
【解決手段】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通る固定電流を定める。電圧切替え回路は、固定供給電圧を受取り、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変換するよう適応される。
【選択図】図３

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 光増幅される受信器の一例を示すブロック図である。 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。 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。 パワースプリッタを示す概念図である。 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 (7)

1. 当該光増幅器のエルビウムドープ利得素子へ接続される注入型レーザダイオードと、
   レーザドライバとを有し、
   前記レーザドライバは、
   前記注入型レーザダイオードへ接続され、前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、
   前記注入型レーザダイオード及び前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有し、
   前記電圧切替え回路は、固定供給電圧を受取り、且つ、該供給電圧を前記注入型レーザダイオードにバイアスをかけるための順方向電圧へ誘導的に変換して、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適応され、
   前記電圧切替え回路は、前記注入型レーザダイオード及び前記エルビウムドープ利得素子の特性に基づき割り当てられる動作パラメータを有し、
   前記電圧切替え回路は、「完全にオン」モード及び「完全にオフ」モードで交互に動作する切替えパストランジスタを有し、
   前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、
   前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、
   前記電圧切替え回路は、前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出力電圧を変化させるよう適応され、
   前記レーザドライバは、高効率電流源を更に有し、
   前記高効率電流源は、前記注入型レーザダイオードへ接続され、低ノイズ電流源として動作する、光増幅器。
2. 前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有し、
   前記固定供給電圧は約５ボルトである、請求項１記載の光増幅器。
3. ハウジングを更に有し、
   前記ハウジング内に前記レーザドライバ回路が取り付けられる、請求項１記載の光増幅器。
4. 前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有する、請求項１記載の光増幅器。
5. 前記注入型レーザダイオードに動作上接続され、前記光出力を受け取って、前記光波長を安定化させるブラッググレーティングを更に有する、請求項１記載の光増付記。
6. 前記エルビウムドープ利得素子はエルビウムドープファイバ前置増幅器である、請求項１記載の光増幅器。
7. 前記電圧切替え回路の前記動作パラメータは、当該光増幅器の性能レベルに合致する方法で切替え器のノイズを保つように、前記注入型レーザダイオード及び前記エルビウムドープ利得素子の特性に基づき割り当てられる、請求項１記載の光増幅器。

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