JP2009512302A - 中継器のサージコイル及びダイオードチェーンの設計 - Google Patents

Abstract

海底光中継器用のサージ保護装置を提供している。ダイオードチェーン設計を内蔵した光中継器駆動回路は、複数の並列の順バイアスされたダイオードの複数のバンクから形成されたダイオードアレイであって、所与のバンク内のそれぞれのダイオードは、隣接するバンク内のダイオードのすべてと電気的に接触している、ダイオードアレイと、このダイオードアレイと並列に接続された光中継器制御回路と、を含んでいる。光中継器に対してサージ保護を提供するコンポーネントは、絶縁材料から形成された基板と、基板内に埋め込まれた第１の実質的な平面導電コイルと、を内蔵している。

Description

本発明は、サージ電流に対する光中継器回路の保護に関するものであり、更に詳しくは、長距離海底伝送システムにおける光中継器回路の保護に関するものである。

一般的な光増幅型の海底ケーブルシステムは、いくつかの光中継器を利用しており、従って、動作のための電源を必要とする。従来システムの場合には、それぞれの中継器は、１Ａにおいて約３０Ｖを必要としており、システムは、一般的な６０００ｋｍの大西洋横断の適用例において、２００個もの数の中継器を含む場合がある。これらの中継器の組に電力を供給するべく、定電流源及び接地帰路を使用した直列接続法が選択されている。一般的に、ケーブルの抵抗値は、約１Ω／ｋｍであり、この結果、合計電圧は、ケーブルの抵抗損失において６ｋＶ、そして、前述の例の中継器において６ｋＶとなろう。それぞれの中継器内における電圧のクランピングを使用することにより、動作電流を抽出すると共に、余剰分をバイパスしており、この結果、その制御回路のために中継器内において名目上一定の電圧を維持しつつ、中継器の経年変化又はライン電流の変動を許容している。

ＰＦＥ（Ｐｏｗｅｒ Ｆｅｅｄｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）における局所的な接地帰路の使用により、絶縁された帰路電流ケーブルを使用する場合よりも、高い電力効率が実現されている。例えば、一般的な接地は、１０Ωであり、従って、ライン電流が１Ａである場合には、それぞれのステーションにおける降下は１０Ｖであるのに対して、帰路ケーブルの場合には、６０００Ωであることから、合計で６ｋＶ降下し、相対的に高い供給システム電圧と帰路ケーブルに関連した追加のコストを伴っており、更には、追加の銅のコストも存在している。

前述の例は、１２ｋＶの合計ライン電圧を付与している。このような大きな電圧は、追加の絶縁要件及びシステム要素に対するストレスのため、望ましいものではない。図１は、一般的な実装を示しており、この場合には、２つのＰＦＥが設置され、一方は、＋６ｋＶを、他方は、−６ｋＶを供給しており、それぞれ、１Ａである。従って、最大値である１２ｋＶの半分が、あらゆるシステム要素に印加されている。更には、１つのＰＦＥの障害は、残りのものの電圧を一時的に増大させて、修理を実施可能な時点までシステムの動作を維持することにより、克服可能である。

海底ケーブルは、通常、絶縁体と、海水と接触する任意選択の外部接地型スクリーンと、によって囲まれた電力部材を含む同軸構造を有している。この構造は、通常、０．２μＦ／ｋｍの静電容量と、約２８Ωの特性インピーダンスを具備している。これらの特徴は、海岸側の端部における落雷に起因したケーブル障害又は電流サージに対する中継器の損傷保護と関連し、特に高電圧を伴う設計において慎重に考慮しなければならない。

前述の大きなライン電圧は、中継器のコンポーネントに対して大きなストレスを与える。このような電圧を取り扱う能力を有するコンポーネントは、通常、大きく、従って、これらを収容する中継器も、相応して大きなものになる。これは、海底中継器を考えた場合に、大きな代償となる。

例えば、従来においては、中継器の制御回路に並列に接続されたツェナーダイオードと、エアコア型のコイルインダクタの提供と、により、中継器回路を電流サージから保護している。しかしながら、これらのコンポーネントは、（関連する電圧及び可能なサージ電流に鑑み）必然的に大きなものとなり、従って、小型の中継器を提供するのには、不適当である。

本発明の一態様によれば、光中継器駆動回路が提供されており、この回路は、複数の並列の順バイアスされたダイオードの複数のバンクから形成されたダイオードアレイであって、所与のバンク内のそれぞれのダイオードは、隣接するバンク内のダイオードのすべてと電気的に接触している、ダイオードアレイと、このダイオードアレイと並列に接続された光中継器制御回路と、を有している。

本発明のダイオードのアレイは、制御回路が大きなサージ電流に晒されることを防止している。アレイの特性により、それ自体が開回路又は短絡回路となるべくダイオードに障害が発生したかどうかとは無関係に、任意の１つのダイオードの障害によってアレイが開回路又は短絡回路とならないようになっている。必要なダイオードは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に配設可能な小型のコンポーネントとして入手可能であり、この結果、従来技術による技法と比べて、中継器の全体的なサイズを大幅に低減可能である。

好ましくは、本発明は、アレイ及び制御回路の両方に並列に接続された２次経路を更に有しており、この２次経路は、１つ又は複数の逆バイアスされたダイオードを有している。この結果、その他のコンポーネントに対する損傷を伴うことなしに、動作ライン電流に対して逆方向に発生するサージ電流を処理可能である。

好ましくは、２次経路は、逆バイアスされたダイオードのアレイを有しており、このアレイは、複数の並列の逆バイアスされたダイオードの複数のバンクから形成されており、所与のバンク内のそれぞれのダイオードは、隣接するバンク内のダイオードのすべてと電気的に接触している。このタイプのアレイは、逆ダイオードの中の１つのものに障害が発生した際に、その障害が結果的にそのダイオードの地点における開回路又は短絡回路をもたらした場合にも、２次経路が有効に機能し続けることを保証している。

好ましい実施例においては、アレイ及び制御回路と並列に接続されたクランプツェナーダイオードと、クランプツェナーダイオードと直列の１つ又は複数のフィルタコイルと、が更に提供されている。クランプツェナーダイオードは、中継器回路の両端の電圧の大きさに対して上限を設定し、フィルタコイルは、クランプツェナーダイオードに対して誘導保護を提供し、これにより、サージ電流イベントにおいてクランプツェナーダイオードを通過する電流の大きさを減少させている。この結果、クランプツェナーダイオードは、高電流に耐える必要がなく、これにより、必要なクランプツェナーダイオードのサイズが低減される。

好ましくは、順バイアスされたダイオードは、整流ダイオードである。好適な一実施例においては、アレイの両端の電圧降下は、３．６Ｖである。好ましくは、順バイアスされたダイオードのそれぞれの両端の電圧は、０．６Ｖである。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様による１つ又は複数の光中継器駆動回路を有する光中継器が提供されている。いくつかの好適な実施例においては、複数の光中継器駆動回路は、それぞれの駆動回路内の光中継器制御回路の両端の電位差がその回路内のダイオードアレイの両端の電位差と等しくなるように、直列に接続されている。この結果、いくつかの光増幅器を１つの中継器ユニットによって作動させることが可能である（従って、単一のユニットが、複数のファイバについて、又は複数の方向において、或いは、これらの両方において、中継器として機能可能である）。好ましくは、光中継器は、回路と直列の１つ又は複数のサージコイルを更に有しており、サージコイルは、絶縁材料から形成された基板と、基板内に埋め込まれた第１の実質的な平面導電コイルと、を有している。好ましくは、１つ又は複数のサージコイルは、基板内に埋め込まれた第２の実質的な平面導電コイルを更に有しており、第１及び第２コイルは、別個の平行な平面内に位置していると共に、互いに磁気的に結合されている。好ましくは、第１コイルは、光中継器の電気入力に電気的に接続されており、第２コイルは、中継器の電気出力に電気的に接続されている。

本発明の第３の態様によれば、光中継器に対してサージ保護を提供するコンポーネントが提供されており、コンポーネントは、絶縁材料から形成された基板と、基板内に埋め込まれた第１の実質的な平面導電コイルと、を有している。本発明のこの態様のコンポーネントは、従来のインダクタコイルに対する小型の代替物を提供している。具体的には、これは、海底光中継器に従来使用されているエアコア型のコイルよりも格段に小さくなっている。この結果、光中継器の全体的なサイズを大幅に低減可能である。更には、本発明は、従来の誘導コイルよりも格段に安価であって製造が容易なインダクタを提供している。

好ましくは、コンポーネントは、基板内に埋め込まれた第２の実質的な平面導電コイルを更に有しており、第１及び第２コイルは、別個の平行な平面内に位置していると共に、互いに磁気的に結合されている。単一基板内における２つのコイルの存在により、２つの離れたコイルと比べて、使用する物理的な空間が低減されているのみならず、これらが磁気的に結合されているため、それぞれのコイルは、格段に大きな誘導を提供する。これによって、コイルの巻数を増やす必要性がなく、且つ、従って、コンポーネントのサイズを増大させる必要性もなく、大きなサージ電流から光中継器を更に保護している。

好ましくは、基板は、ＰＣＢである。更に好ましくは、ＰＣＢは、ＦＲ−４（Ｆｌａｍｅ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ４）を有している。好適な一実施例においては、コイルは、約２０回の巻数を有すると共に、５０ｍｍ及び１２０ｍｍの辺を具備した矩形内に位置している。

本発明の第４の態様によれば、第３の態様のコンポーネントを有する光中継器が提供されている。好ましくは、第１及び第２コイルは、光中継器の電気入力及び電気出力にそれぞれ接続されている。この方式によるコイルの接続は、障害によって電流が中継器の入力又は出力に向かって放電されるかどうかとは無関係に、中継器の放電動作が同一となることを保証している。具体的には、光中継器内における漂遊静電容量に起因した放電電流が、それぞれの状況において、等しく取り扱われることになる。

好ましくは、第４の態様の光中継器は、１つ又は複数の光中継器駆動回路を更に有しており、この回路は、それぞれ、複数の並列の順バイアスされたダイオードの複数のバンクから形成されたアレイであって、所与のバンク内のそれぞれのダイオードは、隣接するバンク内のダイオードのすべてと電気的に接触している、アレイと、このアレイに並列に接続された光中継器制御回路と、を有している。光中継器は、好ましくは、アレイ及び制御回路の両方に並列に接続された逆経路を更に有しており、逆経路は、１つ又は複数の逆バイアスされたダイオードを有している。

以下、添付の図面を参照し、本発明の例について詳細に説明することとする。

図１は、一般的な海底光通信システムの大まかな概略図を示している。ケーブル１０２が２つの端点（この例においては、西ステーション１０３及び東ステーション１０４）間に伸びており、いくつかの光中継器１０１を作動させるためのライン電流を搬送している。この回路は、接地帰路電流１０５によって完結している。

図２は、障害２０３がケーブル２０２内において発生した際の正のライン電位の中継器２０１を示している。この障害は、ケーブルを接地しており、この結果、局所的ライン電圧を海底ケーブルの特性インピーダンスによって除算したものに（隣接した障害の場合に）略近似可能であるピーク電流が、中継器を通じて発生している。例えば、６ｋＶのライン電圧と２８Ωの特性インピーダンスは、約２１４Ａの最大電流に結び付くことになろう。図３は、類似の障害３０３を示しており、この場合には、中継器３０１の他方の側におけるケーブル３０２内に発生している。この場合にも、大きな放電電流が、但し、この場合には、逆方向において、中継器を通過することになると予想されよう。

図２及び図３に示されている障害は、めったに発生するものではないが（これらが発生する際には、それは、通常、そのエリアにおける漁業活動の結果である）、中継器電子回路の交換には、費用と時間の両方を費やすことになり、従って、前述のサージ電流に耐えることができるように、中継器を設計することが望ましい。具体的には、いくつかの影響を受け易い中継器のコンポーネントを、これらの大規模な電流サージから保護しなければならない。

図４は、影響を受け易い中継器の電子回路を通過する電流を調節する従来技術による技法を示している。このアーキテクチャにおいては、大電力ツェナーダイオード４０１が光増幅器制御電子回路４０２と並列に接続されている。これらのツェナーは、電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性応答４０３を具備している。このツェナーを使用することにより、供給電圧の１つのセクションをその関連した制御電子回路に対してクランプしている。ライン電流の大部分は、制御電子回路を通過し、且つ、これを最終的に使用してポンプレーザーを駆動しており、残りの部分は、ダイオードのＶ−Ｉ特性４０３から予測されるように、ツェナーを通じてバイパスされている。ポンプレーザーの経年変化に伴って、その需要電流は増大し、相対的に少ない供給電流がバイパスされることになる。又、ツェナーを通過する電流は、なんらかの理由（例えば、ＰＦＥの障害）からライン電流がわずかに降下した場合に、十分なシステム動作を維持するべく、バッファを提供している。

図２及び図３に示されている障害は、以下において「順」及び「逆」サージ電流とそれぞれ呼んでいる２つの大まかなタイプのサージ電流を生成することになる。順サージ電流は、通常のライン電流の方向において、即ち、図４の左から右に向かって伝播するものである。逆サージ電流は、これとは反対の方向において伝播している。順サージ電流の場合には、図４に示されているツェナーダイオードのＶ−Ｉ特性により、制御回路ではなく、むしろツェナーダイオード自身が、サージ電流に耐えることが保証されている。逆サージ電流の場合には、ツェナーは、短絡として実質的に機能することになり、この場合にも、制御回路ではなく、むしろツェナーが電流に耐えることになる。ダイオードは、障害のイベントにおいて電流に耐えることのみならず、このイベントに耐えることにより、ケーブルの修理が完了した際に、有効に機能することが重要である。この場合には、損傷を伴うことなしに、ツェナーが数百アンペアのサージを処理可能であることが必要とされている。この要件は、あまり一般的なものではなく、従って、カスタムツェナーダイオードを製造することによって解決されてきた。しかしながら、これらのカスタムダイオードは、高価であると共に、物理的に大きくなっている。相対的に小さなツェナーダイオードは、入手可能ではあるが、この大きさのサージ電流に耐えることができない。

ツェナーダイオードのサイズは、中継器の全体的なサイズに寄与している。具体的には、その一般的なサイズは、中継器が、現在、大きな特注のハウジングを必要としていることを示す。小さな中継器を生成することが有利になるであろう。具体的には、ケーブルの各セクションを接続するべく使用されていたジョイントハウジングが、現在、この役割に使用されておらず、従って、中継器をこれらの相対的に小さなユニットに内蔵することが有益であろう。

更には、上記の役割のために現在利用可能であるツェナーダイオードは、一般に、約５．６Ｖにおいて最適化されているが、光増幅器ポンプレーザーは、通常、動作するのに、２．５以下しか必要としない。相対的に高い５．６Ｖの供給レールの使用は、非効率的であるのみならず（浪費電力＝（５．６Ｖ−２．５Ｖ）＊１Ａ＝３．１Ｗ）、相対的に大きなシステム電圧に結び付いている。大きなシステム電圧は、増大した電圧クリアランス及び相対的に大きな電流のダイオードを必要とするため、中継器設計の小型化において更なる問題をもたらすことになる。

図５は、前述の問題を解決する構成を示している。順バイアスされた整流ダイオードの梯子型アレイ５０１を使用することにより、ツェナーダイオードのＶ−Ｉ特性応答をエミュレートしている。以前と同様に、このアレイは、制御電子回路５０２と並列に接続されている。好適な実施例においては、ダイオード５０１は、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ社によって製造された部品番号が８ＥＷＦのシリコン電力整流ダイオードであり、０．６Ｖの公称順電圧降下を具備している。図５には、最小限の梯子型アレイが示されており、これは、２×２のダイオードのマトリックスから構成されている。この構成によれば、いずれか１つのダイオードの障害により、（その障害がそのダイオードの開回路又は短絡回路をもたらした場合にも）、回路が短絡することにならず、制御回路の両端の電圧が降下することにもならない。

前述のように、ポンプレーザーは、通常、２．５Ｖを必要とする。実際には、駆動トランジスタ内の制御マージンのために、この電圧を上回る多少の余裕を提供することが有益である。この余裕は、通常、０．４Ｖ程度であってよい。図５は、整流ダイオードの最小限のアレイを示していたが、図６は、これらの状況における適切なアレイ６０１を示している。ダイオードを４つの並列ダイオードの６つの直列バンクとして構成しており、所与のバンク内のすべてのダイオードは、隣接するバンク内のすべてのダイオードと電気に接触している。図６に示されているそれぞれのダイオードは、０．６Ｖの順降下を提供しており、従って、６つの直列接続されたダイオードの合成順降下は、３．６Ｖである。これは、ダイオードのいずれかに障害が発生して短絡した場合の冗長性を提供している（この結果、全体的な電圧降下は、３Ｖとなるが、これは、依然として、ポンプレーザーに余裕を加えた必要最小値を上回っているためである）。この並列ダイオードのバンクによって、任意の個々のダイオードの開回路障害に起因して、アレイが全体として開回路状態とならないことが保証されている。

図５及び図６は、本開示の技法による（それぞれ、２×２及び６×４の）整流ダイオードの２つの例示的なアレイを示している。これらは、いずれかの個々のダイオードの開回路又は短絡回路により、アレイ全体が開回路又は短絡回路とならないという特性を共有している。この特性を共有するその他のアレイも想定される。この特性は、（短絡回路障害に備えるための）複数の並列ダイオードの（開回路障害に備えるための）複数の直列バンクを提供することによって保証されており、この場合に、アレイは、電流がそれぞれのバンク内の任意のダイオードの組み合わせを通じて流れることができるように、梯子型に接続されている。

又、図６には、この順バイアスされたダイオードアレイのＶ−Ｉ特性６０３も示されており、これと対比して、図４に示されているツェナーダイオードのＶ−Ｉ特性６０２も示されている。図示のように、このアレイは、ツェナーダイオードと実質的に同一の特性を具備しているが、Ｖ−Ｉ曲線の傾きが、臨界点６０４の後において多少急になっている。この結果、大きな電流によって制御電子回路の両端の電圧が望ましくなく増大する可能性がある。

図１１に示されている好適な実施例においては、図４に示されている大電力ツェナーダイオードの応答を更に正確にシミュレートするべく、低電流クランプツェナー１１０１及び１つ又は複数のフィルタコイル１１０２からなる更なる特徴をダイオードのアレイ１１０３に対して追加可能である。

図１１の低電流クランプツェナーダイオード１１０１は、大きなサージ電流の場合の制御電子回路の両端の電圧範囲と、これによる、それらの電子回路に対する損傷の可能性と、を制限するべく提供されているが、通常動作の際には導電しないように適合している。図１１Ｂは、この効果を示しており、サージイベントの際に、電圧は、クランプ電圧において最大値に到達しているが、通常の動作電圧においては、クランプツェナーの影響がないことを示している。フィルタコイル１１０２は、誘導障壁を提供することにより、サージイベントの際に高電流からクランプツェナーを保護しており、この結果、クランプツェナーが電流に晒される前にサージが消滅するまでのホールドオフ期間を実現可能である。ホールドオフ期間の長さは、フィルタコイルの特性によって決定される。図１１Ａは、サージ電流自体との比較において、クランプツェナーダイオードを通じた電流を示している。

整流ダイオードのアレイ１１０３（並びに、任意選択により、フィルタコイル１１０２及びクランプツェナー１１０１）は、図４に示されている大電力ツェナーのアレイと実質的に同一の順サージ電流に対する応答を提供するのに有効である（サージ電流に効果的に耐えると共に、サージ電流が制御電子回路を通過することを防止している）。しかしながら、逆サージ電流は、整流ダイオードのアレイを通過すると、必ず、永久的な損傷をもたらすであろう。従って、通常のライン電流又は順サージ電流を導電しないが、逆サージ電流の際にその電流に耐える逆経路１１０４を提供することが好ましい。この逆経路１１０４は、回路の残りの部分と並列に伸びており、且つ、１つ又は複数の逆バイアスされた整流ダイオードを包含可能である。逆サージ電流の場合には、これらの逆バイアスされたダイオードが、整流ダイオードの順バイアスされたアレイを逆方向の故障から保護している。クランプツェナーを有する実施例の場合にも、これは、多少の逆サージ電流に耐えることになるが、この場合にも、フィルタコイルが、この程度を制限することになる。（開回路又は短絡回路をまねく）いずれか１つのダイオードの障害の場合に冗長性を提供するべく、少なくとも２×２の逆バイアスされた整流ダイオードの梯子型のアレイを逆経路上に提供することが好ましい。

参考として、図１２は、図１１の回路を実際に動作させることにより、光増幅器と共に使用されるポンプレーザーを駆動可能な光中継器制御回路の両端の電圧を調節する方法の一例を示している。ダイオードアレイ１２０６と、クランプツェナーダイオード１２０７を、ポンプレーザー１２０１を制御する様々な回路に並列に接続している。フィルタコイル１２０８も、示されている。ポンプレーザー１２０１は、光増幅器を動作させており、ポンプレーザーの電力を制御することにより、増幅器の利得及び出力パワーを調節可能である。レーザーは、通常トランジスタによって調節された順電流を必要とする。ポンプレーザー１２０１内に構築されたバックダイオード１２０２の電力を計測することにより、コントローラ１２０３は、レーザー電流を正確に判定及び調節して望ましいレーザーパワーを実現可能である。増幅器の出力に結合されたパワー監視ダイオード１２０４により、更なる監視を提供している。この結果、ターゲットのポンプパワーを調節することにより、全体的な増幅器の出力パワーを制御可能である。更には、このダイオードにより、海岸に位置したシグナリング装置から発せられたテレメトリ信号を検出することにより、パワー設定（ポンプ又は増幅器のパワー）の再割り当てを実現可能である。制御バス１２０５を使用して１つの増幅器を通じた別の増幅器への制御命令の伝達を実現することにより、ダイバーシティによる回路の冗長性及び信頼性の増加を支援している。この制御バス１２０５は、通常、中継器のサージ保護設計との関係において弱点と見なされている。サージの際に増幅器モジュール間に生成される電圧が、この制御バスを構成している半導体にストレスを与えるか又はこれを損傷する場合がある。

大きなサージ電流は、中継器の両端に大きな誘導電圧を生成する能力を有している。図７においては、サージ電流は、左から右に、中継器を横断して地絡７０２に伝播している。中継器は、図４に以前に示されていたように、それぞれがツェナーダイオード７０５に並列に接続された光増幅器制御回路７０３の組を含んでいる。又、システムにおける漂遊配線インダクタンス７０１も示されている。（地絡とケーブル電圧間の）電圧降下の大部分は、この漂遊配線インダクタンス７０１の両端に発生している。これによって、中継器のコンポーネントに損傷をもたらす可能性がある。具体的には、通常、制御回路７０３の間には、（漂遊インダクタンスによって発生する）大きな電圧（Ｅ＝Ｌ．ｄＩ／ｄＴ）の影響を受け易い制御及びテレメトリバス７０４が存在している。

時間に伴うサージ電流の変化の形状が図７Ａに示されており、図７Ｂには、中継器の両端における誘導電圧（実線７２１）及び制御回路７０３間における誘導電圧（破線７２２）が示されている。太いワイヤ又は「Ｌｉｔｚ」導体を使用することにより、漂遊インダクタンスを低減可能である。しかしながら、中継器のそれぞれの端部に相対的に大きなインダクタを導入し、制御回路間の電圧を低減する方式が更に一般的である。図８は、これらの２つの大きなインダクタ８０１を図７のシステムに導入する方法を示している。図８には、漂遊インダクタンスは示されていないが、ツェナーダイオード８０５、ケーブル地絡８０６、制御電子回路８０３、及び制御バス８０４が示されていることに留意されたい。図７Ａ及び図７Ｂと図８Ａ及び図８Ｂとの比較は、これらのインダクタ８０１が電流及び電圧に対してそれぞれもたらす効果を示している。図８Ａは、サージコイルの存在により、最大電流が低減されることを示しており、サージ電流の立ち上がり時間も同様である。図８Ｂは、中継器の両端の電圧（実線８２１）は、大きな状態に留まるが、制御回路間の電圧（破線８２２）は、大幅に低減されることを示している。

サージ保護コイル８０１は、従来、複雑なエアコア型の設計から形成されている（磁気コア材料の使用は、飽和の危険を有しており、この結果、インダクタンスの利益を無効にすることになる）。これらのコイルは、事実上、ライン電圧の全体をホールドオフするために必要であることから（これは、通常、数千ボルトであることを想起されたい）、設計においては、（標準温度及び圧力（ＳＴＰ）において１ｍｍ／キロボルト程度の）適切な電圧クリアランスが必要である。これらの特徴は、小型のコイル設計の提供と両立しない。更には、このタイプのインダクタは、通常、手作業による製造を必要としており、従って、製造するのに費用と時間を要する。

前述の問題点を克服するべく、プリント回路基板（ＰＣＢ）などの基板内に形成された平面コイル構造の使用を提案する。ＰＣＢに埋め込まれたレイヤ内においてコイルを巻くことにより、コイルを絶縁可能である。好適な実施例においては、ＰＣＢは、ＰＣＢに一般的に使用されているＦＲ−４（Ｆｌａｍｅ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ４）から形成されている。ＦＲ−４のＰＣＢ基板は、非常に良好な絶縁体として機能し、この結果、接地電位に近接してコイルを配置可能である。コイルのこの設計は、前述のエアコア型のコイルと比較して、製造が相対的に容易であり、且つ、廉価である。

図９Ａに示されている好適な一実施例においては、図８に示されている２つのサージコイルは、単一のＰＣＢ基板９０４内に製造されている。順方向において、電流は、まず、第１コイル９０１を、次いで、中継器電子回路９０２を、そして、最後に第２コイル９０３を通過している。逆方向においては、この順序が逆転している。２つのコイルは、互いに電気的に絶縁されているが、磁気的に結合されている。これは、それぞれによって提供されるインダクタンスが増大することを意味している。コイルのインダクタンスは、巻数の二乗に比例している。この結果、２つの同一の、但し、磁気的に結合されたコイルは、事実上、１つの絶縁されたコイルの４倍のインダクタンスを具備することになる。これは、適切なサージコイルのペアのサイズ要件における軽減に結び付いている。好適な一実施例においては、それぞれのコイルは、２２回の巻数で構成されており、基板の寸法は、約１２０ｍｍ×５０ｍｍであり、且つ、計測インダクタンスは、約１５０μＨである。一般に、コイルによって提供されるインダクタンスは、好ましくは、１００μＨ超であり、更に好ましくは、１４０μＨ〜１６０μＨである。

コイルの磁気結合の更なる利点は、エネルギーが一方のコイルから他方のコイルに磁場を介して伝播可能であるという点にある。これは、コイルが（好適な実施例におけるように）中継器の入力及び出力に接続されている際には、相対的に少ないエネルギーが電流の形態において中継器コンポーネント自体を通過し、この結果、サージ電流からの更なる保護が中継器に対して提供されることを意味している。

図９Ｂは、図９Ａに示されているコンポーネントのレイヤの拡大図を示している。３つの絶縁レイヤ９１２がコイル９１３／９１４を挟持しており、接点９１１がコイルを外部の配線そして中継器の電子回路９１５へと接続している。外部レイヤは、接点がコイルと電気的に接触するように、ビアを含んでいる。この図は、拡大図であり、且つ、すべてのレイヤは実際には物理的に接触しており、この結果、コイル９１３／９１４は、絶縁レイヤ９１２内に埋め込まれており（この内部に完全に封入されており）、これらに対するアクセスは、接点９１１を介してのみ行われることに留意されたい。

図１０は、全体的な中継器システムの大まかな概略図を示している。一般的なライン電流は、この図においては、左から右に伝播している。サージコイル１００１が、中継器の入口と出口に配置されており、これらの間には、制御電子回路１００２の４つの組が接続されている。それぞれの制御回路内の電流は、図５、図６、及び図１１との関係において前述したように、順バイアスされた整流ダイオードのアレイ１００３、フィルタコイル１００４、及びツェナークランプダイオード１００５の組み合わせによって調節されている。逆サージ電流を処理するベく、逆バイアスされたダイオードのアレイ１００６を有する逆経路が提供される。前述のように、ツェナーは、両方向において電流を処理可能であることから、図４に示されている従来技術の方法を使用する際には、この逆経路は不要である。又、図１０は、中継器のケースに起因した寄生漂遊静電容量１００７を示している。このケースの静電容量１００７は、圧力容器金属加工に起因したものである。これは、通常、ポリエチレン絶縁体によってオーバーモールドされており、従って、海水に対して静電容量を形成する。２つのサージコイルの内蔵が有益である原因は、このケースの静電容量１００７にあり、この理由は、１つのコイルしか含まれていない場合には、図２及び図３に示されている２つの障害のシナリオの間でケースの静電容量の放電レートに不均衡が存在するためである。この静電容量は、図示のように電気的に接続されている。

海底光通信ネットワークにおける中継器用の一般的な電力供給システムの概略図である。 順サージ電流を生成するケーブル障害のシナリオを示す図である。 逆サージ電流を生成するケーブル障害のシナリオを示す図である。 ツェナーダイオードを内蔵する従来技術による中継器の電力分離回路を示す図である。 本発明による電力整流ダイオードアレイを示す図である。 本発明の好適な実施例によるダイオードアレイを示す図である。 ２つの光増幅器を有すると共に漂遊インダクタンスを含む光中継器の概略図である。 図７の中継器を通過するサージ電流の時間プロファイルを示す図である。 図７の中継器内において図７Ａに示されているサージ電流によって誘導された、中継器の両端の電圧、並びに、光中継器間における電圧の時間プロファイルを示す図である。 追加のサージコイルを有する図７の光中継器の概略図である。 図８の中継器を通過するサージ電流の時間プロファイルを示す図である。 図８の中継器内において図８Ａに示されているサージ電流によって誘導された、中継器の両端の電圧、並びに、光中継器間における電圧の時間プロファイルを示す図である。 本発明による結合された小型の平面サージコイルの物理的実装を示す図である。 図９Ａのサージコイル内のレイヤの拡大図である。 光中継器の概略図を示である。 本発明によるダイオードアレイ及びクランプツェナーの構成を示す図である。 図１１のシステムにおける障害の際のサージ及びクランプツェナー電流を示す図である。 サージ電流イベントの際の光制御回路の両端の電圧に対する図１１のクランプツェナーの効果を示す図である。 光中継器制御回路を示す図である。

Claims (25)

1. 光中継器駆動回路であって、
   複数の並列の順バイアスされたダイオードの複数のバンクから形成されたダイオードアレイであって、所与のバンク内のそれぞれのダイオードは、隣接するバンク内の前記ダイオードのすべてと電気的に接触している、ダイオードアレイと、
   前記ダイオードアレイと並列に接続された光中継器制御回路と、
   を有する回路。
2. 前記ダイオードアレイ及び前記制御回路と並列に接続されたクランプツェナーダイオードと、前記クランプツェナーダイオードと直列の１つ又は複数のフィルタコイルと、を更に有する請求項１記載の回路。
3. 前記順バイアスされたダイオードは、整流ダイオードである請求項１又は２記載の回路。
4. 前記ダイオードアレイ及び前記制御回路の両方に並列に接続された２次電気経路を更に有しており、前記２次電気経路は、１つ又は複数の逆バイアスされたダイオードを有する請求項１〜３のいずれか一項記載の回路。
5. 前記２次電気経路は、逆バイアスされたダイオードのアレイを有しており、前記アレイは、複数の並列の逆バイアスされたダイオードの複数のバンクから形成されており、所与のバンク内のそれぞれのダイオードは、隣接するバンク内の前記ダイオードのすべてと電気的に接触している請求項４記載の回路。
6. 請求項１〜３の中のいずれか一項記載の複数の光中継器駆動回路を有しており、前記複数の光中継器駆動回路は、それぞれの駆動回路内の前記光中継器制御回路の両端の電位差が、その駆動回路内の前記ダイオードアレイの両端の電位差と等しくなるように、直列に接続されている光中継器システム駆動回路。
7. 前記複数の光中継器駆動回路に並列に接続された２次電気経路を更に有しており、前記２次電気経路は、１つ又は複数の逆バイアスされたダイオードを有する請求項６記載の光中継器システム駆動回路。
8. 前記２次電気経路は、逆バイアスされたダイオードのアレイを有しており、前記アレイは、複数の並列の逆バイアスされたダイオードの複数のバンクから形成されており、所与のバンク内のそれぞれのダイオードは、隣接するバンク内の前記ダイオードのすべてと電気的に接触している請求項７記載の回路。
9. 請求項１〜５の中のいずれか一項記載の光中継器駆動回路又は請求項６〜８の中のいずれか一項記載の光中継器システム駆動回路を有する光中継器。
10. １つ又は複数の駆動回路と直列の１つ又は複数のサージコイルを更に有しており、前記サージコイルは、絶縁材料から形成された基板と、前記基板内に埋め込まれた第１の実質的な平面導電コイルと、を有する請求項９記載の光中継器。
11. 前記１つ又は複数のサージコイルは、前記基板内に埋め込まれた第２の実質的な平面導電コイルを更に有しており、前記第１コイル及び第２コイルは、別個の平行な平面内に位置していると共に、互いに磁気的に結合されている請求項１０記載の光中継器。
12. 前記第１コイルは、前記光中継器の電気入力に電気的に接続されており、前記第２コイルは、前記光中継器の電気出力に電気的に接続されている請求項１１記載の光中継器。
13. 光中継器にサージ保護を提供するコンポーネントにおいて、
    絶縁材料から形成された基板と、
    前記基板内に埋め込まれた第１の実質的な平面導電コイルと、
    を有するコンポーネント。
14. 前記基板は、実質的に平面である請求項１３記載のコンポーネント。
15. 前記コイルは、１００μＨ超のインダクタンスを提供している請求項１３又は１４記載のコンポーネント。
16. 前記基板は、プリント回路基板（ＰＣＢ）である請求項１５記載のコンポーネント。
17. 前記ＰＣＢは、ＦＲ−４絶縁材料を有する請求項１６記載のコンポーネント。
18. 前記コンポーネントは、前記基板内に埋め込まれた第２の実質的な平面導電コイルを更に有しており、前記第１コイル及び第２コイルは、別個の平行な平面内に位置していると共に、互いに磁気的に結合されている請求項１３〜１７の中のいずれか一項記載のコンポーネント。
19. 前記第１コイル及び第２コイルは、前記コイルの前記平面に対して垂直の方向において実質的にオーバーラップしている請求項１８記載のコンポーネント。
20. 請求項１３〜１９の中のいずれか一項記載のコンポーネントを有する光中継器。
21. 前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記光中継器の電気入力及び電気出力にそれぞれ接続されている請求項１８又は１９に従属した場合の請求項２０記載のコンポーネントを有する光中継器。
22. １つ又は複数の光中継器駆動回路を更に有しており、
    それぞれの回路は、
    複数の並列の順バイアスされたダイオードの複数のバンクから形成されたダイオードアレイであって、所与のバンク内のそれぞれのダイオードは、隣接するバンク内の前記ダイオードのすべてと電気的に接触している、ダイオードアレイと、
    前記ダイオードアレイに並列に接続された光中継器制御回路と、
    を有する請求項２０又２１記載のコンポーネントを有する光中継器。
23. 前記１つ又は複数の電気駆動回路は、前記第１コイルと第２コイルとの間において直列に接続されている請求項２２記載の光中継器。
24. それぞれの駆動回路内の前記光中継器制御回路の両端の電位差が、その駆動回路内の前記ダイオードアレイの両端の電位差と等しくなるように、直列に接続された複数の駆動回路を有する請求項２２又は２３記載の光中継器。
25. 前記アレイ及び前記制御回路の両方に並列に接続された２次経路を更に有しており、前記２次経路は、１つ又は複数の逆バイアスされたダイオードを有している請求項２４記載の光中継器。

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