JP2010103293A - 光送信器 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光光源としての半導体発光素子において目標とする光出力と波長を迅速に調整することを可能にした光送信器を提供する。
【解決手段】 ＬＤ（レーザダイオード）１を光源とする光送信器ＯＴｘであって、ＬＤ１に供給するＬＤ電流を制御して光出力を制御する光出力制御部３と、ＬＤ１の温度を制御して波長を制御する波長制御部４と、光出力制御部３と波長制御部４を制御するためのＤＳＰ（プロセッサ）５を備える。ＤＳＰ５は目標とする光出力及び波長のいずれか一方の設定値が入力されたときに他方の設定値を演算するＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１を備える。複雑な調整作業や複数因子のフィードバック制御が不要になり調整の迅速化が可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザダイオード等の半導体発光素子を光源とする光送信器に関し、特に光出力と波長調整を可能にした光送信器に関するものである。

光通信装置の光インターフェース、例えば複数の光信号を扱う光インターコネクションに用いる光送信器では光源で発光する光の光出力と波長が所定の目標値になるように調整することが要求される。この種の光源としてはＬＤ（レーザダイオード：Laser Diode ）が用いられており、光出力を調整する際にはＬＤに供給する駆動電流を変化制御している。しかし、駆動電流を変化すると、これに伴ってＬＤの温度も変化され、これに伴って光の波長が変化してしまう。そのため、従来では、ＬＤに対する駆動電流制御による光出力調整と温度制御による波長調整をそれぞれ個別に行っているが、光出力を調整すると波長が目標値から外れ、波長を調整すると光出力が目標値から外れてしまうため調整が面倒で複雑となり、調整に時間がかかるという問題がある。

特許文献１では、ＬＤに供給している駆動電流を検出し、この駆動電流を制御して光出力を目標値に調整するとともに、この調整に伴って発生するＬＤの温度変化を補償することによって波長のずれを調整する技術である。すなわち、ＬＤの駆動電流を制御して光出力を調整し、この光出力の調整に伴ってＬＤの温度が変化して波長が変化したときには、この波長を補償すべくＬＤの温度を制御する。この温度の制御により光出力が変化するため、再度駆動電流を制御して光出力を調整するが、この調整によりまた波長が変化するため再びＬＤの温度を制御して波長を補償する。このような光出力と温度の制御を交互に繰り返し行うことで、光出力と波長を目標値に収束させようとする技術である。
特開２００３−８６８８９号公報

引用文献１の技術は、駆動電流を変化させて光出力を調整する制御と、この光出力の調整に伴って変化する波長を調整すべくＬＤの温度を変化する制御とを交互に繰り返し行って光出力と波長を目標値に収束させる技術である。すなわち、この引用文献１の技術は実質的には光出力調整と波長調整を個別に行っている従来の技術と同じであり、これら光出力と波長の調整を従来では手作業による制御で行っていたものをフィードバック制御により自動的に行っているのに過ぎない。そのため、目標とする光出力と波長に調整するためには上記したフローを繰り返し行なう必要があり、調整に時間がかかるという問題を解決するには至っていない。

本発明の目的は発光光源としての半導体発光素子において目標とする光出力と波長を迅速に調整することを可能にした光送信器を提供するものである。

本発明は、半導体発光素子を光源とする光送信器であって、半導体発光素子に供給する駆動電流を制御して当該半導体発光素子の光出力を制御する光出力制御部と、半導体発光素子の温度を制御して当該半導体発光素子の波長を制御する波長制御部と、光出力制御部と波長制御部を制御するためのプロセッサとを備えており、プロセッサは目標とする光出力及び波長のいずれか一方の設定値が入力されたときに他方の設定値を演算する演算手段を備え、これら一方の設定値と演算された他方の設定値をそれぞれ光出力制御部と波長制御部に出力して光出力制御と波長制御を実行することを特徴とする。

本発明によれば、光出力と波長を調整するための設定値のいずれか一方のみを入力するだけで光出力調整と波長調整を同時に行うことができる。すなわち、プロセッサはいずれか一方の設定値が入力されたときに、予め保持している関係式に基づいて他方の設定値を演算することで、光出力と波長のそれぞれに対応した適正な一方の設定値と他方の設定値を同時に得ることができ、これらの設定値に基づいて光出力調整と波長調整を行うことが可能となる。そのため、光出力と波長を個別に調整していた従来技術、あるいは光出力と波長を交互に繰り返し調整していた特許文献１の技術に比較すると調整を簡易化し、調整時間の短縮が可能になる。

本発明における好ましい形態として、プロセッサはデジタル・シグナル・プロセッサであり、当該半導体発光素子について予め実測した光出力と波長との相関を記録しておく記録手段を備え、一方の設定値が入力されたときに演算手段は当該記録手段に記録されている相関に基づいて他方の設定値を演算する。

本発明において特に好ましい形態として、半導体発光素子はレーザダイオードであり、光出力制御部はレーザダイオードに供給する駆動電流を制御し、波長制御部はレーザダイオードの温度を制御するための温度制御電流を制御する構成とする。この場合、レーザダイオードの温度を制御するためのペルチェ素子を備えており、波長制御部は当該ペルチェ素子に供給する温度制御電流を制御する温度制御電流制御回路を備える構成とする。また、プロセッサは、記録手段と演算手段とを一体化した駆動電流−温度制御電流設定部を備える構成とする。さらに、光出力制御部はレーザダイオードの駆動電流を検出する手段を備え、プロセッサは検出された駆動電流が目標とする設定値に対応する駆動電流となるようにフィードバック制御する機能を備えてもよい。

次に、本発明の実施例１を図面を参照して説明する。図１は実施例１の光送信器ＯＴｘのブロック構成図であり、レーザ光を発光する光源としてのＬＤ（レーザダイオード：Laser Diode ）１と、このＬＤ１で発光したレーザ光を送信信号で光変調して出力するための光変調部２とを備えている。これらＬＤ１と光変調部２は従来から提供されている光送信器の構成と同じであるのでここでは詳細な説明は省略する。また、前記ＬＤ１の発光状態を制御するための光出力制御部３と波長制御部４を備えている。光出力制御部３は前記ＬＤ１に供給する駆動電流（以下、ＬＤ電流と称する）を制御してＬＤ１の発光出力を制御する。波長制御部４は前記ＬＤ１の温度を制御することでレーザ光の波長を制御する。ここでは後述するように、通流される電流によって温度が変化するペルチェ素子に供給する温度制御電流（以下、ＴＥＣ電流と称する）を制御する。これら光出力制御部３と波長制御部４はそれぞれ制御信号としてのデジタル信号が入力され、このデジタル信号で設定される設定値に対応して前記ＬＤ電流とＴＥＣ電流を生成する。さらに、前記光出力制御部３と波長制御部４を制御するためのＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ：Digital Signal Processor）５を備えており、前記光出力制御部３と波長制御部４において制御しようとするＬＤ１の光出力と波長に対応した設定値を出力する。このＤＳＰ５には制御端末としてのＰＣ（パーソナルコンピュータ）６が接続可能であり、光出力又は波長のいずれか一方の調整値、すなわち目標値を手作業によって入力することが可能とされている。

前記ＤＳＰ５はＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１を備えている。このＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１はＰＣ６から光出力又は波長の一方の目標値が入力されたときには、これら光出力目標値又は波長目標値に対応するＬＤ電流とＴＥＣ電流の各設定値を出力することができるように構成されている。例えば、ＰＣ６から光出力の目標値が入力されたときには、当該光出力目標値に対応するＬＤ電流設定値を演算するとともに、これと相関のあるＴＥＣ電流設定値を演算し、これら演算した設定値をデジタル値としてそれぞれ出力するようになっている。あるいは、ＰＣ６から波長の目標値が入力されたときには、当該波長目標値に対応するＴＥＣ電流設定値を演算するとともに、これと相関のあるＬＤ電流設定値を演算し、これら演算した設定値をデジタル値としてそれぞれ出力するようになっている。このＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１は、例えばＲＯＭ等の記録手段によって構成されており、予めＬＤ１又はこれと同じ特性のＬＤに供給したＬＤ電流とペルチェ素子に供給したＴＥＣ電流と、そのときにＬＤで発光する光出力の各データに基づいて所定の演算を行って得られた特性を記録したものである。

前記ＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１は、通常のＬＤにおいては光出力と波長が相互に影響することに基づいて設計されており、ＬＤを実際に発光させたときに実測して得られたＬＤ電流とＴＥＣ電流の相関に基づいて設計されたものである。ここで、図２を参照して、光出力調整と波長調整が相互に影響しあう様子を説明する。図２（ａ）はＬＤ電流設定値が一定のときのＴＥＣ電流設定値の変化によるＬＤ電流とＬＤ温度の実測結果である。光出力調整と波長調整がお互いに依存しないならばＬＤ電流は一定になるが、比例関係になっている。すなわち、ＴＥＣ電流を制御してＬＤ温度が変化すると所定の光出力を得るためのＬＤ電流が変化することが判る。また、図２（ｂ）は、ＴＥＣ電流設定値が一定のときのＬＤ電流設定値の変化によるＬＤ電流とＬＤ温度の実測結果である。こちらも比例関係になっており、ＬＤ電流を制御して光出力を変化するとＴＥＣ電流が一定であるのにもかかわらずＬＤ温度が変化することが判る。

このように、光源の光出力ならびに波長は相互に影響する。そこで、本発明者は光出力と波長との関係について測定を行い、図３の特性を得た。図３は特定の光出力、ここでは＋2.0 ｄＢｍに調整するときの波長変化に対するＬＤ電流設定値とＴＥＣ電流設定値の相関を示している。これから判るように、ＬＤ電流設定値とＴＥＣ電流設定値は比例関係にあり、ＴＥＣ電流値をｙ、ＬＤ電流値をｘの各変数としたときに波長はｙ＝Ｍｘ＋Ｎの関係式で表せられる。Ｍ，Ｎは係数であり、ＬＤの種類や個体によってそれぞれ設定される。この図３の例では関係式は、ｙ＝8.65ｘ−100000となる。例えば、波長を1592.523ｎｍ、光出力を＋2.0 ｄＢｍに設定するためにはＬＤ電流設定値ｘはａ１になり、ＴＥＣ電流設定値ｙはｂ１になる。すなわち、ＬＤ電流設定値をａ１に設定するとＴＥＣ電流設定値がｂ１と自動的に決まることになる。この関係式に基づいて、前記ＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部は、ＬＤ電流設定値が入力されたときに対応するＴＥＣ電流設定値を自動的に出力することができるように構成されている。なお、ここでは光出力が＋2.0 ｄＢｍの特性であるが、光出力が異なる場合には、同様にして当該光出力に対応する特性が参照されることになる。

また、実施例１では、図４に示すように、光出力制御部３はＤＳＰ５のＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１からのＬＤ電流設定値、ここでは対応する電圧のデジタル値をアナログ値に変換するＤ／Ａ変換回路３１と、変換したアナログ値を電流値に変換するＶ／Ｉ変換回路３２と、変換された電流値に基づいてＬＤ１にＬＤ電流を供給するＬＤ電流制御回路３３を備えている。また、ＬＤ１に供給されているＬＤ電流を検出するＬＤ電流検出回路３４と、検出した電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換回路３５と、変換した電圧をデジタル値に変換してＤＳＰ５に帰還させるＡ／Ｄ変換回路３６とを備えている。そして、ＤＳＰ５は検出したＬＤ電流に対応するデジタル値をＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１において設定したＬＤ電流設定値と一致するか否かを判定し、さらにこの判定結果に基づいて前記ＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１からＬＤ１に供給しているＬＤ電流が設定したＬＤ電流となるようなフィードバック制御を行う構成となっている。このＬＤ電流フィードバック制御は、換言すればＬＤ電流と密接な関係にあるＬＤ１の光出力が設定した光出力に一致するか否かを判定する光出力フィードバック制御を実行することになる。また、図４において、波長制御部４は、ＤＳＰ５のＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１からのＴＥＣ電流設定値のデジタル値をアナログ値に変換するＤ／Ａ変換回路４１と、変換したアナログ値を電流値に変換するＶ／Ｉ変換回路４２と、変換された電流値に基づいてＬＤ１を冷却するためのペルチェ素子７にＴＥＣ電流を供給するＴＥＣ電流制御回路４３を備えている。

以上の構成になる光送信器ＯＴｘでの光出力と波長の調整動作を図５のフローチャートを参照して説明する。調整を行う際には、ＰＣ６から調整しようとする光出力と波長の両設定値を入力する（Ｓ１１）。この設定値がＤＳＰ５に入力されると、ＤＳＰ５はＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１において当該設定値に基づいた光出力の特性を参照して光出力設定処理及び波長設定処理を実行する（Ｓ１２）。ここでは、光出力を＋2.0 ｄＢｍに調整するので、図３に示した特性を参照し、当該特性線上で設定した波長となるポイントを見い出し、このポイントにおけるＬＤ電流とＴＥＣ電流を設定する。波長を1592.523ｎｍに設定する場合には、図３においてポイントＰ１を設定し、このときのＬＤ電流設定値としてａ１を、またＴＥＣ電流設定値としてｂ１を設定する。そして、これらのデジタル値である設定値ａ１とｂ１のうち、設定値ａ１を光出力制御部３に入力し、光出力制御部３はＤ／Ａ変換回路３１，Ｖ／Ｉ変換回路３２，ＬＤ電流制御回路３３によって設定値ａ１に対応したアナログ値を得るとともにＬＤ電流を生成し、ＬＤ１に供給する。同時に設定値ｂ１を波長制御部４に入力し、波長制御部４はＤ／Ａ変換回路４１，Ｖ／Ｉ変換回路４２，ＬＤ電流制御回路４３によって設定値ｂ１に対応したＴＥＣ電流を生成し、ペルチェ素子７に供給する。これにより、ＬＤ１は当該ＴＥＣ電流によって設定される温度に制御され、この状態でＬＤ電流によって発光されるため、設定値に対応した光出力及び波長に調整されることになる（Ｓ１３）。

このとき、光出力の調整に際しては、光出力制御部３においてＬＤ１に実際に供給されているＬＤ電流を検出しており、ＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１ではこの検出したＬＤ電流が設定したＬＤ電流と一致しているか否かを判定する（Ｓ１４）。判定の結果、一致していない場合にはＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１からのＬＤ電流設定値を増減することでＬＤ電流を設定値に一致するようなフィードバック制御を行う。これにより、ＬＤ電流は図３の特性のポイントＰ１に対応した電流となり、ＬＤ１の光出力を設定した光出力に調整することができる。また、これに追従してＴＥＣ電流もポイントＰ１に対応した電流となり、ＬＤ１の温度も設定した温度に制御され、波長も設定した波長に調整されることになる。

このように、実施例１では、ＰＣにおいて光出力の設定値のみを入力すれば、ＤＳＰにおいて当該光出力に対応したＬＤ電流とＴＥＣ電流を一義的に決定し、これらＬＤ電流とＴＥＣ電流によってＬＤの発光を制御し、光出力と波長を目標値に調整することができる。このとき、ＬＤ電流とＴＥＣ電流設定部は予め実測して得られたＬＤ電流とＴＥＣ電流との相関特性に基づいて制御されるので、特許文献１や従来技術のように光出力と波長を段階的、あるいは交互に調整する必要はなく、調整作業を簡略化するとともに調整の迅速化が可能になる。なお、実施例１では光出力を制御するためにフィードバック制御を行っているが、この制御は光出力という単一因子の制御であるので特許文献１のような光出力と温度（波長）を同時に制御している複数因子の制御に比較して迅速なフィードバック制御が可能になる。

以上の実施例１の説明では、ＤＳＰ５はＰＣ６によって設定される光出力と波長のうち光出力に基づいてＬＤ電流を設定し、このＬＤ電流に追従するようにＴＥＣ電流を設定して光出力制御部３と波長制御部４を制御する構成としていたが、ＤＳＰ５のＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１においては設定される波長に基づいてＴＥＣ電流を制御し、その上でＬＤ電流を制御して光出力を調整するようにしてもよい。すなわち、図３の例では特性＋2.0 ｄＢｍにおいて先にＴＥＣ電流をｂ１に設定し、これからＬＤ電流ａ１を設定するようにしてもよい。また、この場合には、ＬＤ１の温度を検出し、この温度が設定したＴＥＣ電流に対応する温度になるようにフィードバック制御してもよい。いずれにしても、本発明では光出力と波長の両方を同時にあるいは交互に調整する必要はなく、いずれか一方のみを調整すればよいので調整作業の簡易化と迅速化が実現できる。

実施例１の光送信器では、光源としてのＬＤと、光変調部をそれぞれ独立したブロックとして構成しているが、図６に示すように、ＬＤと光変調部とをＬＤ集積型変調器１０として一体にブロック化した構成の光送信器に適用することも可能である。図６において、光出力制御部３，波長制御部４，ＤＳＰ５の構成は実施例１の構成と同じであるので同一符号を付しており、詳細な説明は省略する。このようにＬＤ集積型変調器１０を用いれば、光出力制御部３，波長制御部４，ＤＳＰ５についてもこれらを含めた集積装置として構成することが可能であり、光送信器ＯＴｘの小型化、低価格化を実現する上で有利になる。

また、実施例１ではＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１をＲＯＭで構成した例を示したが、ＥＥＰＲＯＭ等の書き替え可能な記録媒体で構成し、ＰＣ６からの操作によってＬＤ電流−ＴＥＣ電流の特性、例えば前記した関係式ｙ＝Ｍｘ＋Ｎの係数Ｍ，Ｎを修正できるように構成してもよい。すなわち、異なる特性の光源、例えばＬＤ電流−ＴＥＣ電流特性が相違するＬＤを用いる複数の光送信器においてそれぞれＤＳＰ５のＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１を構成する場合には係数Ｍ，Ｎの相違に応じてそれぞれ異なる相関を有するＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１を構成する必要があるが、ＰＣ６からの操作によって係数Ｍ，Ｎを修正して相関を変更できるようにしておけばＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部５１を汎用化でき、種々の光送信器に対応できる。

実施例１では光送信器の光源としてレーザダイオードを用いているが、発光する際の駆動電流の変化に対応して光源の温度が変化され、かつこの温度変化に対応して光の波長が変化する温度依存性のある光源、通常では半導体発光素子であれば本発明を同様に適用することができる。

本発明の実施例１の光送信器のブロック構成図である。 ＬＤ電流とＬＤ温度の相関を示す図である。 ＬＤ電流とＴＥＣ電流の相関を示す図である。 光出力制御部と波長制御部の構成を示すブロック図である。 本発明における光出力を制御する動作を説明するためのフロー図である。 実施例２の光送信器のブロック構成図である。

符号の説明

１ ＬＤ（光源）
２ 光変調器
３ 光出力制御部
４ 波長制御部
５ ＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）
６ ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
１０ ＬＤ集積型変調器
５１ ＬＤ電流−ＴＥＣ電流設定部

Claims (6)

1. 半導体発光素子を光源とする光送信器であって、前記半導体発光素子に供給する駆動電流を制御して当該半導体発光素子の光出力を制御する光出力制御部と、前記半導体発光素子の温度を制御して当該半導体発光素子の波長を制御する波長制御部と、前記光出力制御部と波長制御部を制御するためのプロセッサとを備え、前記プロセッサは目標とする光出力及び波長のいずれか一方の設定値が入力されたときに他方の設定値を演算する演算手段を備え、これら一方の設定値と演算された他方の設定値をそれぞれ前記光出力制御部と波長制御部に出力して光出力制御と波長制御を実行することを特徴とする光送信器。
2. 前記プロセッサはデジタル・シグナル・プロセッサであり、当該半導体発光素子について予め実測した光出力と波長との相関を記録しておく記録手段を備え、前記一方の設定値が入力されたときに前記演算手段は当該記録手段に記録されている相関に基づいて他方の設定値を演算することを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
3. 前記半導体発光素子はレーザダイオードであり、前記光出力制御部は前記レーザダイオードに供給する駆動電流を制御し、前記波長制御部は前記レーザダイオードの温度を制御するための温度制御電流を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の光送信器。
4. 前記レーザダイオードの温度を制御するためのペルチェ素子を備え、前記波長制御部は当該ペルチェ素子に供給する温度制御電流を制御する温度制御電流制御回路を備えることを特徴とする請求項３に記載の光送信器。
5. 前記プロセッサは、前記記録手段と前記演算手段とを一体化した駆動電流−温度制御電流設定部を備えることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の光送信器。
6. 前記光出力制御部は前記レーザダイオードの駆動電流を検出する手段を備え、前記プロセッサは検出された駆動電流が前記目標とする設定値に対応する駆動電流となるようにフィードバック制御する機能を備えることを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の光送信器。
   
   

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