JP2015179696A

JP2015179696A - 光送信器

Info

Publication number: JP2015179696A
Application number: JP2014055410A
Authority: JP
Inventors: 清智長谷川; Kiyotomo Hasegawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-10-08

Abstract

【課題】経年劣化で特性の変化したＬＤの発光波長を、構成部品点数の増加を抑えつつ制御することができる光送信器を得ること。
【解決手段】ＬＤ１からの出力光のうちの一方の光を受光するＰＤ５と、他方の光をエタロン４を介して受光するＰＤ６と、ＰＤ５，６の出力に基づいてＬＤ１の出力を制御する電流源回路１１と、温度センサ２の検知温度に基づいてＬＤ１の温度を検知する温度センサと、ＬＤ１の駆動温度を調整してＬＤ１の発光波長を制御する温度制御回路１０と、ＰＤ５，６の出力に基づいて温度制御回路１０がＬＤ１の駆動温度を調整する際の温度補償量を演算するマイコン９と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、光送信器に関する。

光通信における光源としては、一般的に、レーザーダイオード（以下「ＬＤ」と表記）からのレーザ光が用いられている。光の帯域を効率良く利用するために、レーザ光の波長を僅かにずらして並べる波長多重通信が行われている。

近年、光通信の容量の増加に伴い光の帯域利用効率をさらに高めるために、レーザ光を並べる波長間隔も１００ＧＨｚ、５０ＧＨｚから、６．２５ＧＨｚへと狭くなってきており、レーザ光の発振波長を精度よく制御することが求められている。レーザ光の波長モニタは、２つの鏡面の反射で共振させるファブリーペローエタロンフィルタ（以下「エタロン」と略す）の波長に対する透過率の周期的な変化を、波長多重通信で規定される波長グリッドの間隔に一致させる事で波長制御を行っている。

ＬＤは経年劣化で活性層内の格子欠陥が増加することで発光効率が落ちるので、同じ光出力電力を得るためには、駆動電流を増やしていく必要がある。順方向電流や活性層内の格子欠陥の増加などの影響で屈折率が変化し、発光波長は長波長にずれていくことが知られているが、この波長のずれがエタロンの透過率変化の１周期以上になってしまうと波長多重通信で規定される隣のグリッドに誤ってしまう問題がある。

この問題を解決するため、例えば下記特許文献１では、ＬＤからの光をハーフミラーを用いて３つに分け、１つ目の光を直接的に第１のフォトダイオードで受け、２つ目の光をスロープフィルタ通過後に第２のフォトダイオードで受け、３つ目の光をエタロンで透過させた後に第３のフォトダイオードで受ける構成を開示している。また、この特許文献１では、スロープフィルタ透過光を用いてグリッド基準となる波長に荒い精度で波長を確定し、エタロン透過光を用いて波長グリッドへの合わせこみを行っている。

また、下記特許文献２では、ＬＤの背面光をビームスプリッタで２つに分け、１つ目の光をバンドパスフィルタとエタロンを通過させた光を第１のフォトダイオードで受け、２つ目の光を直接的に第２のフォトダイオードで受ける構成を開示している。また、この特許文献２では、バンドパスフィルタの透過率の傾きを利用して波長を荒い精度で確定し、エタロンの透過光の周期性を用いて波長グリッドへの合わせこみを行っている。

特開２００４−１３２７０４号公報特許第４２２２４６９号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、ＬＤの劣化に伴い光の波長が変化しても目的の波長に制御できるように、大まかに波長を確定するフィルタと目的の波長グリッドに合わせこむフィルタの２つのフィルタを用いる事で実現しているが、部品点数が増えて装置が大型化してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、経年劣化で特性の変化したＬＤの発光波長を、構成部品点数の増加を抑えつつ制御することができる光送信器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光源からの出力光のうちの一方の光を受光する第１の受光器と、他方の光を波長選択手段を介して受光する第２の受光器と、前記第１および第２の受光器の出力に基づいて前記光源の出力を制御する光出力制御手段と、前記光源の温度を検知する温度センサと、前記温度センサの検知温度に基づいて前記光源の駆動温度を調整して前記光源の発光波長を制御する発光波長制御手段と、前記第１および第２の受光器の出力に基づいて前記発光波長制御手段が前記光源の駆動温度を調整する際の温度補償量を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、経年劣化で特性の変化したＬＤの発光波長を、構成部品点数の増加を抑えつつ制御することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光送信器の一構成例を示す図である。図２は、加速試験の経過時間とＬＤ素子の駆動条件との関係を示す図である。図３は、ＬＤ素子の劣化特性の一例を示す図である。図４は、実施の形態２に係る光送信器の要部動作を説明する図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る光送信器について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
まず、実施の形態１に係る光送信器の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る光送信器の一構成例を示す図である。

実施の形態１に係る光送信器は、図１に示すように、光源となるＬＤ１と、ＬＤ１の温度調整を行う温度制御手段としてのペルチェ素子１２と、ＬＤの温度を検知する温度センサ２と、ＬＤ１の背面光を分岐（図１の例では二分岐）させる分光器３と、分光された背面光を直接的に受ける第１の受光器であるフォトダイオード（以下「ＰＤ」と表記）５と、分岐されたもう一方の背面光を透過させる波長選択手段としてのエタロン４と、エタロン４を透過した背面光を受ける第２の受光器としてのＰＤ６と、ＰＤ５，６から出力される電流信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ７と、ＬＤ１の駆動条件を記録するメモリ８と、メモリ８とＡ／Ｄコンバータ７の情報を取り込み、後述する温度補償量（本実施の形態ではＬＤ温度補償量）を演算する演算手段としてのマイコン９と、ペルチェ素子１２を駆動する電流を供給する温度制御回路１０と、マイコン９の出力によりＬＤ駆動電流を出力することでＬＤ１の出力を制御する光出力制御手段としての電流源回路１１と、を備えて構成されている。なお、温度制御回路１０は、ペルチェ素子１２との協同動作により発光波長制御手段として動作する。

光送信器を動作させる際には、初期値設定を行う。具体的には、所望の波長でＬＤ１が発光するＬＤ電流と、分光器３で分光したレーザ背面光をＰＤ５で受光して発生したモニタ電流と、温度センサ２を用いて測定したＬＤ駆動温度とを求め、初期値としてメモリ８内に格納しておく。

上記の初期値設定と並行して、以下のことを行っておく。

（ステップ１）
同じ構造の光送信器を用いて所望の波長でＬＤが発光するＬＤ電流とＬＤ駆動温度を求めた後に、加速試験を行い経年劣化した状態のＬＤを作る。このとき、ＬＤ電流とＬＤ駆動温度は加速試験のため先ほど求めた駆動条件から変更してもよい。

（ステップ２）
経年劣化した状態のＬＤを用いて加速試験前の光出力を再現するＬＤ電流を流しＬＤを発光させる。このときのモニタ電流が一定になる様にＬＤ電流を調整する制御を行う。

（ステップ３）
加速試験前の発光波長が再現するように温度制御回路とペルチェ素子を用いてＬＤ駆動温度を調整する。加速試験前後のＬＤ電流の差（変化量）と、ＬＤ駆動温度の差（変化量）をそれぞれ計算で求める。ＬＤ電流の差とＬＤ駆動温度の差の商を求め、ＬＤ温度補償係数としてメモリに記憶させておく。

図２は、加速試験の経過時間とＬＤ素子の駆動条件との関係を示すグラフであり、加速試験の経過時間を横軸にとり、ＬＤ電流（菱形のプロット）とＬＤ素子駆動温度（黒四角のプロット）の変化を示している。

図２において、ＬＤ電流の変化とＬＤ素子駆動温度の変化は、ほぼリニアに推移している。また、図２によれば、加速試験の開始時と３０００時間経過した時点のＬＤ電流およびＬＤ素子駆動温度を比較すると、ＬＤ電流が６０ｍＡ変化した場合にＬＤ素子駆動温度が６℃変化した場合が示されている。つまり、この加速試験で用いたＬＤ素子の場合、１０ｍＡ／℃の変化量であることが判る。

図３は、ＬＤ素子の劣化特性の一例を示すグラフであり、ＬＤ電流に対する光出力特性について、稼働開始時（実線）と素子劣化時（破線）とを比較する形で示している。

図３によれば、稼働開始時と同じ１．２ｍＷの光出力を得るためには、２００ｍＡのＬＤ電流を流す必要があることが示されている。すなわち、稼働開始時と同じ光出力を得るには、ＬＤ電流を５０ｍＡ増加させる必要がある。ここで、図２に示す加速試験によれば、素子劣化におけるＬＤ素子駆動温度の変化量に対するＬＤ電流の変化量（以下「ＬＤ電流の温度変化率」と定義する）が１０ｍＡ／℃であるという結果が得られている。このため、本例であれば、ＬＤ素子駆動温度を５℃下げて自動制御を開始することで、素子劣化時の波長飛びを防止することが可能となる。

つぎに、実施の形態１に係る光送信器の動作について説明する。まず、マイコン９はメモリ８内のＬＤ電流の初期値を読み込み、電流源回路１１を用いてＬＤ電流を初期値に設定してＬＤ１を発光させる。ＬＤ１からは前面光１３と背面光１４の２つのレーザ光が出力される。前面光１３は、光送信器の外部に出力されて光通信の使用に供される出力光である。一方、背面光１４は、ＬＤ１の制御に用いる出力光である。

背面光１４は、分光器３で２つに分けられ、一方の背面光１５はＰＤ５で直接的に受光され、他方の背面光１６はエタロン４を透過後にＰＤ６で受光される。ＰＤ５から出力されるモニタ電流（第１のモニタ電流）１７とＰＤ６から出力されるモニタ電流（第２のモニタ電流）１８をそれぞれＡ／Ｄコンバータ７に入力してデジタル信号に変換しマイコン９に入力して各モニタ電流の値を検出する。

マイコン９は、メモリ８内のモニタ電流１７の初期値を読み込み、モニタ電流１７の値が初期値と一致するように、電流源回路１１を用いてＬＤ電流の制御を開始する。

次に、マイコン９は、メモリ８内のＬＤ駆動温度の初期値を読み込み、温度センサ２から得られるＬＤ駆動温度が初期値と一致するように温度制御回路１０とペルチェ素子１２を用いて制御を開始する。

次に、マイコン９でモニタ電流１７とモニタ電流１８の差をとりモニタ係数とする。このモニタ係数が一定になる様に温度制御回路１０とペルチェ素子１２を用いて駆動温度の制御を開始する。この状態で、光出力電力と発光波長が所望の値のレーザ光出力が得られ、使用に供することができる。

光送信器の使用中は、使用時間に応じてＬＤ素子の劣化が進み、発光効率が低下して行くが、前述のモニタ電流１７が一定になる様にマイコン９が電流源回路１１を用いてＬＤ電流を制御しているので、光出力電力は変わらない。同様に、モニタ係数が一定になる様にマイコン９で温度制御回路１０とペルチェ素子１２を用いてＬＤ駆動温度を制御しているので、発光波長も一定値を保たれる。

ある程度光送信器を使用した後に電源断等による再起動が必要になった場合に、初期設定でメモリ８に格納されているＬＤ電流およびＬＤ駆動温度の初期値ならびにモニタ電流１７をマイコン９に読み込み、マイコン９にて電流源回路１１を用いてＬＤ電流を設定する。マイコン９は、モニタ電流１７が初期値と一致するようにＬＤ電流の制御を開始した後、温度制御回路１０とペルチェ素子１２を用いてＬＤ駆動温度を初期値に設定する。

このとき、ＬＤ光電力はモニタ電流１７を一定に制御しているために所望の値が得られるが、ＬＤ素子の劣化による発光効率の低下でＬＤ駆動電流は初期値に比べて大きくなっているのと共に、発光波長は長波長側に変化してしまっている。波長の変化を補正するために、初期設定時に同一もしくは同等構造の別のレーザ素子を用いて求めておいたＬＤ温度補償係数をメモリ８よりマイコン９に読み込み、現在のＬＤ電流の値とＬＤ電流の初期値との差にＬＤ温度補償係数を掛け合わせてＬＤ温度補償量を算出する。

マイコン９は、ＬＤ駆動温度の初期値に、算出したＬＤ温度補償量を加えた温度にてＬＤ１を制御するが、その際、モニタ電流１７とモニタ電流１８との差をとり、現在のモニタ係数とする。このモニタ係数が一定になる様に温度制御回路とペルチェ素子を用いて駆動温度の制御を開始することで所望の光波長が得られ、使用に供せられるレーザ光出力を得ることができる。

以上説明したように、実施の形態１に係る光送信器によれば、ＬＤの駆動温度を調整する際のオフセット値となる温度補償量を演算し、温度センサが検知したＬＤの駆動温度を調整してＬＤの発光波長を制御する際に、当該温度補償量を加味して制御することとしたので、経年劣化で特性の変化したＬＤの発光波長を、構成部品点数の増加を抑えつつ制御することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る光送信器について図１および図４を参照して説明する。図４は、実施の形態２に係る光送信器の要部動作を説明する図であり、初期値を格納する初期値格納部８ａを図示している。なお、実施の形態２に係る光送信器の構成は実施の形態１と同等である。また、図４では、マイコン９の内部にメモリ８が設けられる構成例を示しているが、図１のようにマイコン９の外部にメモリ８が設けられていてもよいことは言うまでもない。

次に、実施の形態２に係る光送信器の動作について説明する。まず、マイコン９は、初期値格納部８ａに格納されているＬＤ電流の初期値を読み込み、電流源回路１１を用いてＬＤ電流を初期値に設定してＬＤ１を発光させる。分光器３で２つに分けられた背面光のうち、一方の背面光１５はＰＤ５で直接的に受光され、ＰＤ５より出力されるモニタ電流１７が一定になるように、電流源回路１１を用いたＬＤ電流の制御が開始される。

分光器３で２つに分けられた背面光のうちの他方の背面光１６は、エタロン４を透過後にＰＤ６で受光され、ＰＤ６から出力されるモニタ電流１８をマイコン９に入力する。マイコン９は、モニタ電流１７とモニタ電流１８の差であるモニタ係数が一定になる様に温度制御回路１０とペルチェ素子１２を用いてＬＤ駆動温度の制御を開始する。

このとき、マイコン９は、初期値格納部８ａに保持されている初期値をＬＤ電流およびＬＤ駆動温度の各値（現在の制御値）で上書きする。すなわち、マイコン９は、現在の制御値をメモリ８に記録し続けながらＬＤ電流とＬＤ駆動温度の制御をそれぞれ継続する。

電源断等からの復帰などで光送信器の再起動時には、最後にメモリに記録されたＬＤ電流値とＬＤ駆動温度値が初期値として設定され、ＬＤ１が駆動される。そのときのモニタ電流１７とモニタ係数がそれぞれ一定になるようにＬＤ電流とＬＤ駆動温度の制御を行うことで、経年劣化したＬＤを駆動しても、初期値を設定した際の光出力電力と波長が得られる。

以上説明したように、実施の形態２に係る光送信器によれば、ＬＤの経年劣化による波長の変化を補償するために、ＬＤの駆動中にＬＤ電流および駆動温度を記録し、電源再起動後のＬＤ駆動開始時の設定値に最後に記録されたＬＤ電流および駆動温度を採用することとしたので、経年劣化したＬＤを駆動しても、初期値を設定した際の光出力電力と波長が得られるという効果が得られる。

なお、以上の実施の形態１，２に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、経年劣化で特性の変化したＬＤの発光波長を、構成部品点数の増加を抑えつつ制御することができる光送信器として有用である。

１ＬＤ（レーザーダイオード）、２温度センサ、３分光器、４エタロン（波長選択手段）、５ＰＤ（第１の受光器）、６ＰＤ（第２の受光器）、７Ａ／Ｄコンバータ、８メモリ、８ａ初期値格納部、９マイコン（演算手段）、１０温度制御回路（発光波長制御手段）、１１電流源回路（光出力制御手段）、１２ペルチェ素子（温度制御手段）、１３前面光、１４背面光、１５一方の背面光、１６他方の背面光、１７モニタ電流（第１のモニタ電流）、１８モニタ電流（第２のモニタ電流）。

Claims

光源からの出力光のうちの一方の光を受光する第１の受光器と、
他方の光を波長選択手段を介して受光する第２の受光器と、
前記第１および第２の受光器の出力に基づいて前記光源の出力を制御する光出力制御手段と、
前記光源の温度を検知する温度センサと、
前記温度センサの検知温度に基づいて前記光源の駆動温度を調整して前記光源の発光波長を制御する発光波長制御手段と、
前記第１および第２の受光器の出力に基づいて前記発光波長制御手段が前記光源の駆動温度を調整する際の温度補償量を演算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする光送信器。
前記光源はＬＤであり、
前記演算手段は、前記ＬＤの経年劣化による出力波長の変化を、光出力一定の条件下で経年劣化によるＬＤ電流の増加量に基づいて前記温度補償量を演算する
ことを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
前記ＬＤの経年劣化による波長の変化を補償するために、前記ＬＤの駆動中にＬＤ電流および駆動温度を記録し、ＬＤ駆動開始時の設定値に最後に記録されたＬＤ電流および駆動温度を採用することを特徴とする請求項２に記載の光送信器。