JP2015122626A - 光通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光通信モジュールに設けられた温度センサで検知した温度に基づいて駆動電流を制御する場合に比較して、より適切に発光素子の発光状態を制御することができる光通信モジュールを提供する。【解決手段】入力信号に基づく駆動電流に応じて信号光を出力する発光素子４を有し、発光素子４の低発光状態又は非発光状態と高発光状態とを二値的に変化させる光通信モジュール１であって、駆動電流を発光素子４に供給する駆動回路２と、入力信号の信号周波数を含む高周波帯域の周波数成分を減衰させて出力するフィルタ回路３とを備え、駆動回路２は、フィルタ回路３の出力電圧に基づいて発光素子４の光強度が変化するように駆動電流を制御する光通信モジュール１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を駆動する駆動電流を制御することにより、発光素子の発光状態を制御する光通信モジュールに関する。

従来、発光素子の温度によって変動する発光素子の光出力を安定させるため、光通信モジュール内の温度センサにて検出した周囲温度（周囲の雰囲気温度）に基づいて発光素子を駆動するための駆動電流を制御する光通信モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の光通信モジュール（信号伝送装置）では、駆動電流を発光素子に供給する素子駆動部と、素子駆動部から供給される駆動電流によって駆動される発光素子と、周囲温度に基づいて温度変化に伴う発光素子の光強度の変動を低減する温度補償部とを有している。

温度補償部は、発光素子の光強度を一定にするために必要な電流を示す温度電流特性を生成し、この温度電流特性と温度センサで検知した周囲温度とに基づいて発光素子に供給する駆動電流を決定することで、発光素子の光出力の安定化を可能にしている。

特開２０１２−７４７９３号公報

しかし、特許文献１に記載の光通信モジュールでは、温度センサは装置内に設けられた発光素子以外の構成部材の発熱に伴う温度変化も検知するため、必ずしも発光素子の温度を正確に把握できない場合がある。また、発光素子で発生した熱が温度センサ近傍まで伝熱し、温度センサが検知するまでの時間遅れが生じる。その結果、温度センサが検知する温度と発光素子の温度とに差が生じることがあり、発光素子の発光状態を適切に制御することができない場合がある。

そこで、本発明の目的は、光通信モジュールに設けられた温度センサで検知した温度に基づいて駆動電流を制御する場合に比較して、より適切に発光素子の発光状態を制御することができる光通信モジュールを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、入力信号に基づく駆動電流に応じて信号光を出力する発光素子を有し、前記発光素子の低発光状態又は非発光状態と高発光状態とを二値的に変化させる光通信モジュールであって、前記駆動電流を前記発光素子に供給する駆動回路と、前記入力信号の信号周波数を含む高周波帯域の周波数成分を減衰させて出力するフィルタ回路とを備え、前記駆動回路は、前記フィルタ回路の出力電圧に基づいて、前記発光素子の前記高発光状態における光強度が変化するように前記駆動電流を制御する光通信モジュールを提供する。

本発明によれば、光通信モジュールに設けられた温度センサで検知した温度に基づいて駆動電流を制御する場合に比較して、より適切に発光素子の発光状態を制御することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る光通信モジュールを構成するブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るＬＰＦの構成例を示すブロック図である。 （ａ）は、第１の実施の形態に係るＬＰＦに入力される信号波形の一例であり、（ｂ）は、ＬＰＦの出力側の電圧波形であり、（ｃ）は、発光素子の駆動電流の波形の例を示す。 第２の実施の形態に係る光通信モジュールを構成するブロック図である。 （ａ）は、第２の実施の形態に係るＬＰＦに入力される信号の波形の一例であり、（ｂ）は、ＬＰＦの出力側の電圧波形であり、（ｃ）は、発光素子の駆動電流の波形の例を示す。 （ａ）は、第３の実施の形態に係るＬＰＦに入力される信号波形の一例であり、（ｂ）は、ＬＰＦの出力側の電圧波形であり、（ｃ）は、発光素子の駆動電流の波形の例を示す。

［第１の実施の形態］
（光通信モジュールの全体構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光通信モジュール１の構成を示すブロック図である。

光通信モジュール１は、入力信号に基づく駆動電流に応じて信号光を出力する発光素子４と、駆動電流を発光素子４に供給する駆動回路２と、所定の信号周波数の入力信号を入力するための入力端子５と、入力信号の信号周波数を含む高周波帯域の周波数成分を減衰させて出力するフィルタ回路としてのＬＰＦ（Low Pass Filter;低周波通過フィルタ）３と、発光素子４の信号光が入射する光ファイバ７とを備える。入力信号の信号速度（信号周波数）は、例えば、１０Ｇｂｉｔ／ｓ〜２５Ｇｂｉｔ／ｓである。

入力端子５は、正入力信号が入力される正入力端子５１と正入力信号を反転した反転入力信号が入力される反転入力端子５２とで構成される。正入力端子５１及び反転入力端子５２は、駆動回路２に接続され、駆動回路２には正入力信号と反転入力信号とからなる差動信号が入力される。また、正入力端子５１に入力される正入力信号は、入力端子５と駆動回路２とを接続する信号線に設けられた節点６１を分岐点にして、ＬＰＦ３へも伝達される。

入力信号は、正入力信号の電圧が反転入力信号の電圧より高い場合に「１」を示し、この場合に発光素子４は高発光状態になる。また、入力信号は、正入力信号の電圧が反転入力信号の電圧より低い場合に「０」を示し、この場合に発光素子４は低発光状態となる。なお、入力信号が「０」を示す場合に、発光素子４が非発光状態となるようにしてもよい。

ＬＰＦ３は、図２に例示するように、入力電極Ｖ_ｉｎと出力電極Ｖ_ｏｕｔとの間に設けられた抵抗器Ｒと、抵抗器Ｒの出力側と基準電位との間に接続されたコンデンサＣとで構成されている。ＬＰＦ３のカットオフ周波数は、例えば入力信号の基本波の周波数の１／１００以下に設定されている。

駆動回路２は、ＬＰＦ３から出力される電圧に基づいて駆動電流の指令値を演算する制御部２１と、制御部２１で演算された指令値に基づいて駆動電流を発光素子４に供給する駆動部２２とを有して構成されている。駆動回路２による駆動電流の制御方法の詳細については後述する。

制御部２１は、例えば、ＣＰＵと、記憶素子と、Ａ／Ｄ変換器とを備え、Ａ／Ｄ変換器がＬＰＦ３からのアナログ信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号（ＬＰＦ３の出力電圧値）に基づいてＣＰＵが記憶素子に記憶されたプログラムに従って動作し、駆動部２２へ駆動電流を制御する制御信号を出力する。

駆動部２２は、入力端子５からの入力信号と、制御部２１から出力される制御信号とに応じて発光素子４に駆動電流を供給する。より具体的には、駆動部２２は、入力信号が「１」の場合は発光素子４を高発光状態にする駆動電流を出力し、入力信号が「０」の場合は発光素子４を低発光状態にする駆動電流を出力する。また、駆動部２２は、制御部２１から出力される制御信号に基づいて発光素子４を高発光状態にする際の駆動電流を調節する。

発光素子４は、駆動部２２から供給された駆動電流に応じた信号光を出力する。この発光素子４には、例えば、レーザダイオードやＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）といった半導体発光素子を用いることができる。そして、発光素子４の信号光は、光通信モジュール１の外部へ引き出されている光ファイバ７を介して光通信モジュール１の通信相手となる図略の受信装置へ伝搬する。

このように、光通信モジュール１は、発光素子４の低発光状態又は非発光状態と高発光状態とを二値的に変化させることにより、入力信号に応じた光信号を出力する。

次に、本実施の形態に係る光通信モジュール１による駆動電流の制御方法についてさらに具体的に説明する。

駆動回路２は、ＬＰＦ３の出力電圧に基づいて、発光素子４の高発光状態における光強度が変化するように駆動電流を制御する。本実施の形態では、駆動回路２の制御部２１が、ＬＰＦ３の出力電圧が発光素子４の高発光状態の頻度の増大を示す場合に、駆動電流を下げるように駆動部２２に制御信号を出力する。

図３（ａ）は、ＬＰＦ３に入力される信号波形の一例を示し、図３（ｂ）は、ＬＰＦ３の出力側における電圧波形を示し、図３（ｃ）は発光素子の駆動電流の波形の例を示す。

ＬＰＦ３に入力される信号は、パルス状に変化する電圧信号であり、入力信号が「１」を示す場合に電圧が高く、入力信号が「０」を示す場合に電圧が低くなる。また、ＬＰＦ３に入力される信号の波形は、図３（ａ）に示す例では、「０」が連続する期間Ｌと、「０」と「１」とが交互に切り替わる期間Ｍとを経て、「１」が連続する期間Ｈに至る。

ＬＰＦ３の出力電圧は、図３（ｂ）に示すように、期間ＬではＬＰＦ３に入力された信号の電圧が低いときの電圧と同じ一定の電圧となり、期間ＨではＬＰＦ３に入力された信号の電圧が高いときの電圧と同じ一定の電圧となり、期間Ｍでは、ＬＰＦ３による減衰効果により期間ＬにおけるＬＰＦ３の出力電圧と期間ＨにおけるＬＰＦ３の出力電圧との間の中間にあたる所定の範囲の電圧となる。発光素子４の温度は高発光状態において上昇し、高発光状態でない場合には、熱の拡散によって下降する。発光素子４の高発光状態が連続することにより発光素子４の高発光状態の頻度が増大する期間Ｈでは、発光に伴う発熱によって発光素子４の温度が急激に上昇する。発光素子４の温度が上昇すると、発光効率が低下し、光強度の低下によって通信が不安定になるおそれがある。

制御部２１は、上記のように得られたＬＰＦ３からの出力電圧値と予め設定された所定の基準電圧を示す閾値Ｖ_１の値とを比較演算して、ＬＰＦ３の出力電圧値が閾値Ｖ_１の値よりも大きい場合（ＬＰＦ３の出力電圧≧閾値Ｖ_１の場合）は駆動電流を小さくするように制御信号を駆動部２２へ出力する。ここで、閾値Ｖ_１は、期間ＭにおけるＬＰＦ３の出力電圧よりも高く、期間Ｈにおける最大電圧よりも低くなるように設定される。

そして、駆動部２２は、制御部２１からの制御信号に基づいて発光素子４へ供給する駆動電流を下げる。すなわち、駆動回路２は、図３（ｃ）に示すように、ＬＰＦ３の出力電圧が発光素子４の温度上昇を示す閾値Ｖ_１よりも大きくなったとき、すなわちＬＰＦ３の出力電圧によって想定される発光素子４の温度の上昇が懸念される場合に、高発光状態における駆動電流を通常状態よりも低減した電流低減状態とする（図３（ｃ）Δｄ）。そして、ＬＰＦ３の出力電圧が閾値Ｖ_１よりも小さくなったときに、この電流低減状態を解除する。つまり、閾値Ｖ_１は、所定期間内における高発光状態の発生割合（デューティー比）が高くなり、発光効率の低下によって光強度が低下し得る場合のＬＰＦ３の出力電圧に対応して設定されている。

このように、駆動回路２は、発光素子４の温度上昇を抑制すべく、発光素子４の高発光状態における駆動電流を低減する。駆動電流を低減することで、高発光状態における光強度は低下するが、本実施の形態では、発光効率の低下によって光強度が極端に低下することを未然に防止すべく、光強度の低下に優先して、発光素子４の温度上昇を抑制するために駆動電流を低減する。

この処理は、具体的には制御部２１に内蔵されたマイコンが予め記憶されたプログラムを実行することにより行われる。このプログラムは、ＬＰＦ３の出力電圧と閾値Ｖ_１との比較に基づいて、ＬＰＦ３の出力電圧が閾値Ｖ_１よりも大きくなったときに、駆動電流を所定の値Δｄだけ小さくするように構築されている。制御部２１は、このプログラムに基づいて、駆動回路２を制御する。

（第１の実施の形態の作用及び効果）
以上説明した実施の形態によれば、光通信モジュール１が入力信号の電圧に基づいて高発光状態の光強度を低下するように駆動電流を制御するので、温度センサが検知した温度に基づいて制御する場合に比較して、より適切に光出力の制御をすることができる。すなわち、温度センサが検知した温度に基づいて駆動電流を制御した場合は、必ずしも発光素子４の温度を正確に把握できないことがあるため、発光素子４の高発光状態が連続する入力信号が入力されると、発光素子４の温度上昇に起因して駆動電流に応じた光出力が得られない場合あるが、本実施の形態によれば、このような状態を未然に防止することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る光通信モジュール１について図４及び図５を参照して説明する。

図４は、第２の実施の形態に係る光通信モジュール１の構成例を示すブロック図である。なお、図４において、第１の実施の形態について説明したものと共通する機能を有する構成要素については、同一の又は対応する符号及び名称を付してその説明を省略する。

第１の実施の形態では、正入力端子５１から入力された信号がＬＰＦ３に入力されていたが、本実施の形態では、図４に示すように、駆動部２２で入力信号の正入力信号が反転された信号がＬＰＦ３に入力される。より具体的には、駆動部２２は、図略のオペアンプを有しており、このオペアンプの反転出力端子がＬＰＦ３の入力側に接続されている。

図５（ａ）は、第１の実施の形態について図３（ａ）を参照して説明したものと同じ入力信号が入力端子５に入力された場合におけるＬＰＦ３に入力される信号波形の一例を示し、図５（ｂ）は、ＬＰＦ３の出力側における電圧波形を示し、図５（ｃ）は発光素子の駆動電流の波形の例を示す。

本実施の形態では、ＬＰＦ３に入力される信号波形は、図５（ａ）に示すように、駆動部２２による入力信号の反転出力により、図３（ａ）において説明した第１の実施の形態におけるＬＰＦ３に入力された信号が反転した信号波形となる。

ＬＰＦ３の出力電圧は、期間ＬではＬＰＦ３に入力される信号の電圧が高いときの電圧と同じ一定の電圧となり、期間ＨではＬＰＦ３に入力された信号の電圧が低いときの電圧と同じ一定の電圧となる。

したがって、第２の実施の形態における閾値Ｖ_２は、期間Ｈにおける最小電圧よりも高く、期間Ｍにおける電圧よりも小さくなるように設定される。

そして、制御部２１は、ＬＰＦ３の出力電圧値が閾値Ｖ_２の値よりも小さい場合に、駆動電流を下げるように制御信号を駆動部２２に出力する。これにより、駆動回路２は、図５（ｃ）に示すように、ＬＰＦ３の出力電圧と閾値Ｖ_２との比較に基づいて、発光素子４の温度上昇が懸念される場合（ＬＰＦ３の出力電圧≦閾値Ｖ_２である場合）に、発光素子４の高発光状態における光強度が低下するように駆動電流を制御する（図５（ｃ）Δｄ）。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の作用及び効果を得ることができる。また、入力信号に影響を与えることなく、制御部２１に入力信号（正入力信号）の高周波帯域の周波数成分を減衰させた信号を供給することができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態に係る光通信モジュール１について図６を参照して説明する。

本実施の形態に係る光通信モジュールは、その回路構成が第１の実施の形態について図１を参照して説明した光通信モジュール１の回路構成と同様である。

第１の実施の形態では、駆動回路２は、ＬＰＦ３の出力電圧と閾値Ｖ_１との比較に基づいて、発光素子４の温度上昇を抑制したいときに、高発光状態における駆動電流を低減していたが、本実施の形態では、駆動回路２は、ＬＰＦ３の出力電圧と閾値Ｖ_３との比較に基づいて、発光素子４の過熱による発光素子４の光出力の低下を抑制したいときに、高発光状態における駆動電流を増大させる。このように駆動電流を増大させることで、発光素子４の温度は一時的にさらに高くなり得るが、本実施の形態では、光強度を維持することを優先して上記の処理を行う。つまり、本実施の形態では、駆動回路２が発光素子４の高発光状態の頻度の増大による発光素子４の過熱によって発光素子４の光強度の低下が懸念される場合に、高発光状態における駆動電流を増大させる。

この処理は、具体的には制御部２１に内蔵されたマイコンが予め記憶されたプログラムを実行することにより行われる。このプログラムは、ＬＰＦ３の出力電圧と閾値Ｖ_２との比較に基づいて、ＬＰＦ３の出力電圧が閾値Ｖ_２よりも大きいときに、駆動電流を所定の値Δｉだけ大きくするように構築されている。制御部２１は、このプログラムに基づいて、駆動回路２を制御する。

図６（ａ）は、第３の実施の形態に係るＬＰＦ３に入力される信号波形の一例であり、図６（ｂ）は、ＬＰＦの出力側の電圧波形であり、図６（ｃ）は、発光素子の駆動電流の波形の例を示す。本実施の形態では、高発光状態が連続する期間Ｈにおいては、発光に伴う発熱によって発光素子４は過熱状態となっている。

本実施の形態では、駆動回路２は、図６（ｃ）に示すように、ＬＰＦ３の出力電圧が閾値Ｖ_３よりも大きくなったときに、駆動電流を通常状態よりも増大した電流増加状態とする。そして、ＬＰＦ３の出力電圧が閾値Ｖ_３よりも小さくなったときに、この電流増加状態を解除する。ここで、閾値Ｖ_３は、発光素子４の過熱により発光素子４の光強度の低下が発生する場合のＬＰＦ３の出力電圧に対応して設定されている。なお、第２の実施の形態のように入力信号の正入力信号が反転された信号がＬＰＦ３に入力される回路構成（図４参照）において、駆動回路２が、ＬＰＦ３の出力電圧が所定の閾値よりも低い場合に高発光状態における駆動電流が増大するように制御してもよい（図６（ｃ）Δｉ）。

このように、駆動回路２は、ＬＰＦ３の出力電圧と閾値Ｖ_３との比較に基づいて、発光素子４の過熱による発光素子４の光強度の低下が懸念されるとき、発光素子４の光強度を高めるべく、発光素子４の高発光状態における駆動電流を増大する。

本実施の形態によれば、光通信モジュール１が、ＬＰＦ３の出力電圧と閾値Ｖ_３との比較に基づいて、発光素子４の光強度の低下が懸念されるときに、駆動電流を増大するように制御するので、温度センサで検知した温度に基づいて駆動電流を制御する場合に比較して、発光素子４の光出力をより安定化することができる。すなわち、温度センサを用いる場合は、発光素子４が過熱してその熱が温度センサで検知されるまでは駆動電流が増大されず、この間は発光効率の低下により光強度が低下した状態となるが、本実施の形態によれば、このような状況下においても、入力信号に基づいて駆動電流を増大するように制御するため、発光強度の低下を補い、高発光状態における発光素子４の光強度の低下を抑制することができる。

以上、本発明の各実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

例えば、これまで説明した実施の形態においては、設定した閾値は一つだけであったが、これを複数設定してもよい。つまり、閾値を期間Ｌにおける電圧よりも大きく、期間Ｍの平均電圧よりも小さく設定することで、期間Ｍにおける発光状態の光強度を変化させるように駆動電流を制御してもよい。

１…光通信モジュール、２…駆動回路、３…ＬＰＦ、４…発光素子、５…入力端子、７…光ファイバ、２１…制御部、２２…駆動部、５１…正入力端子、５２…反転入力端子、６１…節点

Claims (4)

1. 入力信号に基づく駆動電流に応じて信号光を出力する発光素子を有し、前記発光素子の低発光状態又は非発光状態と高発光状態とを二値的に変化させる光通信モジュールであって、
   前記駆動電流を前記発光素子に供給する駆動回路と、
   前記入力信号の信号周波数を含む高周波帯域の周波数成分を減衰させて出力するフィルタ回路とを備え、
   前記駆動回路は、前記フィルタ回路の出力電圧に基づいて、前記発光素子の前記高発光状態における光強度が変化するように前記駆動電流を制御する、
   光通信モジュール。
2. 前記駆動回路は、前記フィルタ回路の出力電圧が前記高発光状態の頻度の増大を示す場合に、前記高発光状態における光強度が変化するように前記駆動電流を制御する、
   請求項１に記載の光通信モジュール。
3. 前記駆動回路は、前記フィルタ回路の出力電圧が前記高発光状態の頻度の増大による前記発光素子の温度上昇が懸念される場合に、前記発光素子の温度上昇を抑制すべく、前記発光素子の前記高発光状態における前記駆動電流を低減する、
   請求項２に記載の光通信モジュール。
4. 前記駆動回路は、前記フィルタ回路の出力電圧が前記高発光状態の頻度の増大による前記発光素子の過熱によって前記発光素子の光強度の低下が懸念される場合に、前記発光素子の光強度を高めるべく、前記発光素子の前記高発光状態における前記駆動電流を増大する、
   請求項２に記載の光通信モジュール。

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