JP2016066911A - 可変光減衰器 - Google Patents

Abstract

【課題】減衰量を制御する場合のオーバーシュートやアンダーシュートの発生を防止し、所望の光減衰量を高精度で短時間に設定できるＭＥＭＳ可変光減衰器を提供する。
【解決手段】可変光減衰器の制御電圧（Ａ）に関し、設定値の変更直前ｔ_Bまで保持されていた光減衰量設定値の滞在時間情報ｔ_B−ｔ_Aに基づいて出力信号の設定値変更時に発生するオーバーシュートまたはアンダーシュートの少なくともいずれかを補正する補正手段Ｂ：Ｖ_A’を設け、オーバーシュート補正波形Ｃを生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光パワーを減衰させる可変光減衰器（以下VOA；Variable Optical Attenuatorともいう）に関し、詳しくは、オープンループで光減衰量を制御する場合に発生するオーバーシュートやアンダーシュートの特性変化を適切に補正して短時間で所望の減衰量が設定できるようにしたものである。

可変光減衰器の一種に、半導体製造プロセス技術を応用して、半導体基板上に電子要素と可動部を有する機械要素とが融合されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；微細立体構造システム）として構成されたものがある。

このようなＭＥＭＳ可変光減衰器の減衰量は、一般的にはオープンループで制御されるが、オープンループで制御する場合には、光減衰量にオーバーシュートやアンダーシュートの特性変化が現れることから、これらの特性変化を短時間で補正して所望の減衰量が設定できるようにすることが望まれている。

図６は、ＭＥＭＳ可変光減衰器の制御電圧と光減衰量の代表的な特性例図である。図６に示すように、ＭＥＭＳ可変光減衰器の光減衰量は制御電圧に依存して指数関数的に変化している。

図７は、ＭＥＭＳ可変光減衰器における従来の減衰量制御ブロック図である。補正値記憶部１には、制御対象である可変光減衰器４の光減衰量を所望の値に制御するための光減衰量と制御電圧との関係があらかじめ求められ、補正値として格納保持されている。

演算部２は、補正値記憶部１から読み出される補正データに基づき所望の光減衰量を得るための制御電圧を演算し、その演算結果を制御信号としてＤ／Ａ変換器３に出力する。

Ｄ／Ａ変換器３は、演算部２で演算された演算結果に基づく制御信号をアナログの制御電圧に変換し、可変光減衰器４に制御電圧として出力する。

図８は、オーバーシュートやアンダーシュートの特性を補正するための処理の流れを示すフローチャートである。ここで、オーバーシュートやアンダーシュートの振幅は、制御電圧の変化量に比例する。

図８において、光減衰量設定を変える場合（ステップＳ１）、前回の光減衰量の設定電圧値と目的の設定電圧値から、予測されるオーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅を計算する（ステップＳ２）。その振幅に基づき、時間に対して指数関数的に変化するオーバーシュートまたはアンダーシュートの補正電圧波形を計算する（ステップＳ３）。

この補正電圧波形に基づいて補正電圧値を計算し（ステップＳ４）、ＶＯＡに計算された補正電圧値を含む所定の設定電圧を印加する（ステップＳ５）。その後、ステップＳ１に戻り、ステップＳ５に至るまでの一連の処理を繰り返して実行する。なお、ステップＳ１において光減衰量設定を変更しない場合にはステップＳ２とＳ３の処理は行わず、ステップＳ４にジャンプする。

図９は、指数関数的に変化するオーバーシュートの波形例図である。図９に示すオーバーシュート波形は、次式で表すことができる。

Ａ＝Ａ_target＋ΔＡexp[−ｋ（ｔ−ｔ₀）］ （１）

（１）式において、Ａは光減衰量、Ａ_targetは目的の光減衰量、ΔＡは目的の光減衰量に対するオーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅、ｋは緩和時間に関連する係数，ｔは時間、ｔ₀は光減衰量設定を変更した時間をそれぞれ示す。ここで、ｋは制御対象の可変光減衰器個々に関連付けられる緩和の時定数であり、オーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅の大きさによって変化するものではない。

図１０は光減衰量を設定変更するための制御電圧の変化に伴って光減衰量に発生するオーバーシュートの説明図であり、（Ａ）は制御電圧の変化を示し、（Ｂ）は光減衰量の変化を示している。制御電圧が（Ａ）に示すようにステップ状に変化することにより、光減衰量には（Ｂ）に示すようなオーバーシュートが発生する。

図１１は図１０に示した光減衰量のオーバーシュートを電気的に補正するための制御電圧波形の説明図であり、（Ａ）は制御電圧の変化を示し、（Ｂ）は光減衰量の変化を示している。制御電圧波形を図１０（Ａ）に示すようなステップ状の変化から図１１（Ａ）に示すような光減衰量のオーバーシュートを打ち消すように補正演算された減衰波形に変更することにより、光減衰量の変化は図１１（Ｂ）に示すようにオーバーシュートが発生しないものになる。

図１２は、光減衰量をモニタして逐次補正するように構成された従来の可変光減衰器の一例を示すブロック図である。可変光減衰器４の光減衰量のモニタ値であるアナログ信号はＡ／Ｄ変換器５でデジタル信号に変換され、オーバーシュートやアンダーシュートを打ち消す補正情報として演算部２に帰還される。なお、光減衰量のモニタ値としてモニタする物理量としては、たとえば機械的位置や温度などがあげられる。

特許文献１の段落００４４には、光レベル制御素子１０４として光減衰器を備えていることや、光減衰器の概略構成などが記載されている。

特開２０１２−７０３５３号公報

しかし、従来の可変光減衰器では、光減衰量の設定にあたり、前回設定された光減衰量の保持時間による影響まで考慮されていなかった。

図１３は図１２の動作を説明する波形例図であって、（Ａ）は可変光減衰器４に入力される制御電圧波形を示し、（Ｂ）は可変光減衰器４における光減衰量波形を示している。（Ａ）に実線Ａで示す制御電圧波形はあらかじめ求められたオーバーシュートやアンダーシュートを打ち消すように演算されているので、この逆波形電圧を破線Ｂで示す制御電圧に加算することにより（Ｂ）の実線Ｃで示すようにほぼ所望の光減衰量を設定できる。

ここで実線Ｃの時刻ｔ２、ｔ３間に着目すると、所望の減衰量に落ち着くまでの応答に遅れが生じている。この遅れは、実線Ａで示す制御電圧が収束していない状況で動作させたことにより、加補正となっていることによるものであり、一点鎖線Ｅの特性を得るためには、t１−t２間の電圧が十分収束するまでの時間を待つ必要がある。

なお、（Ａ）に破線Ｂで示す補正前の矩形の制御電圧波形を可変光減衰器４に入力すると、（Ｂ）に破線Ｄで示すように光減衰量波形にはオーバーシュートが発生する。（Ｂ）に一点鎖線Ｅで示す特性は、オーバーシュートやアンダーシュートが発生することなく極めて短時間に所望の光減衰量を設定できる理想的な特性を表している。

制御電圧が立ち下がる時刻ｔ1までの時間Ｔ１が前回の光減衰量の設定変更時点から十分長く経過している場合、オーバーシュートやアンダーシュートの振幅は光減衰量設定値の変化量またはその制御電圧の変化量に応じてよく一致していることから遅延応答特性は十分に補正されることになり、ほぼ瞬時に所望の光減衰量を設定できる。

これに対し、オーバーシュート特性が十分収束していない状態、すなわち、時刻ｔ２やｔ３における短時間Ｔ２、Ｔ３（Ｔ１≧Ｔ２、Ｔ３）の補正量のようにまだ補正量が大きい状態で光減衰量の設定値を変更すると、光減衰量の設定値の変化量または制御電圧値の変化量に応じて推測計算していたオーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅に誤差が生じ、場合によっては破線Ｄで示すような過補正になって光減衰量の収束時間が延びてしまうことがある。

また、物理量をモニタして動的に帰還する方法も考えられるが、この方法を実現するためには構成要素が増えることからコストが高くなり、制御が複雑になってしまうという問題点がある。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、所望の光減衰量を高精度で短時間に設定できる可変光減衰器を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
設定値の変更直前まで保持されていた光減衰量設定値の滞在時間情報に基づいて出力信号の設定値変更時に発生するオーバーシュートまたはアンダーシュートの少なくともいずれかを補正する補正手段を設けたことを特徴とする可変光減衰器である。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の可変光減衰器において、
前記補正手段は、前記オーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅を打ち消す補正波形を生成出力することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の可変光減衰器において、
前記補正手段は、前記設定値変更時に前記出力信号が指数関数的に変化するものとして補正処理することを特徴とする。

これらにより、設定値変更時に発生するオーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅を短時間で精度よく補正することができ、目的とする光減衰量を高精度で短時間に設定できる可変光減衰器を実現できる。

本発明の一実施例の主要部を示す減衰量制御ブロック図である。 本発明に基づいて構成される図１のブロック図の動作説明図である。 指数関数的変化の漸化式化の概念図である。 本発明を用いた光減衰量の収束波形例図である。 本発明を用いた光減衰量の収束波形例図である。 ＭＥＭＳ可変光減衰器の制御電圧と光減衰量の代表的な特性例図である。 ＭＥＭＳ可変光減衰器における従来の減衰量制御ブロック図である。 オーバーシュートやアンダーシュートの特性を補正するための処理の流れを示すフローチャートである。 指数関数的に変化するオーバーシュートの波形例図である。 光減衰量を設定変更するための制御電圧の変化に伴って光減衰量に発生するオーバーシュートの説明図である。 図１０に示した光減衰量のオーバーシュートを電気的に補正するための制御電圧波形の説明図である。 光減衰量をモニタして逐次補正するように構成された従来の可変光減衰器の一例を示すブロック図である。 図１２の主要部における波形例図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例の主要部を示す減衰量制御ブロック図である。図１において、光減衰量設定部６は測定作業者が所望の光減衰量を設定入力するためのスイッチやレバーやタッチパネルなどのマン・マシーン・インターフェイスとしての操作部である。

光減衰量設定値履歴格納部７には、光減衰量設定部６を介して設定入力される光減衰量の値が逐次格納される。

光減衰量設定値保持時間格納部８には、前回設定された光減衰量設定値が保持されていた滞在時間情報が逐次格納される。

光減衰量設定値補正演算部９は、光減衰量設定値保持時間格納部８に逐次格納保持されている前回の光減衰量設定値の滞在時間情報に基づき、出力信号の設定値変更時に発生するオーバーシュートまたはアンダーシュートの少なくともいずれかを補正するために必要な補正値を算出する。

なお、これら光減衰量設定部６、光減衰量設定値履歴格納部７、光減衰量設定値保持時間格納部８および光減衰量設定値補正演算部９は、バスＢを介して相互に共通に接続されている。

図２は、本発明に基づいて構成される図１のブロック図の動作説明図である。
オーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅は、制御電圧Ｖの設定を変えたときの電圧変化量に比例する。

図２に示すように、制御電圧Ｖは、時刻ｔ₀ではＶ₀とし、時刻ｔ_AにＶ_Aに変更され、時刻ｔ_BにＶ_Bに変更されたとする。従来の方法では、オーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅は制御電圧Ｖの変化量に関連するものとし、時刻ｔ_Bからのオーバーシュートまたはアンダーシュートの補正波形は、（Ｖ_A−Ｖ_B）で計算される設定電圧変化量を用いて推定していた。

これに対し、本発明では、オーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅は、（ｔ_B−ｔ_A）で表される前回設定された光減衰量設定値が保持されていた滞在時刻に関係することを考慮する。

時刻ｔ_Bに制御電圧Ｖの設定値がＶ_AからＶ_Bに変更されて、変更された所定の電圧Ｖ_Bに収束するまで指数関数的に変化するみなし電圧Ｖ_A’を次式で定義する。

Ｖ_A’＝Ｖ_A＋（Ｖ₀−Ｖ_A）exp[−ｋ（ｔ_B−ｔ_A）］ （２）
ここで、ｋは時間的変化の割合を特徴づける時定数で、可変光減衰器個々に異なる。

図２に示すように、時刻ｔ_Bからの時間経過に対してみなし電圧Ｖ_A’を算出し、時刻ｔ_Bで制御電圧Ｖの設定値が変更された時に（Ｖ_A’−Ｖ_B）で計算される設定電圧の変化量から推定されるオーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅を算出する。

このように算出された振幅を用いて時刻ｔ_Bからのオーバーシュートまたはアンダーシュートを補正するための補正電圧波形を計算し、この補正電圧波形を用いてその後のオーバーシュートまたはアンダーシュートの少なくともいずれかを補正するための補正処理を行う。

従来の補正方法によれば、（ｔ_B−ｔ_A）で表される前回設定された光減衰量設定値が保持されていた滞在時間が短い場合は、実際よりも大きなオーバーシュートまたはアンダーシュート振幅が算出されて過補正が発生したが、本発明によれば、（ｔ_B−ｔ_A）の滞在時間が短い場合でも適切なオーバーシュートまたはアンダーシュート振幅が算出されることから、目的とする設定光減衰量に短時間で収束することができる。

なお、電圧設定差を補正するためのみなし電圧Ｖ_A’は、（２）式に漸化式化して制御電圧の設定制御ループ毎に計算することによって、前の設定電圧とそれが設定された時刻を記憶しておくことなく制御電圧ループに組み込むことができる。

図３は指数関数的変化の漸化式化の概念図であり、漸化式は（３）式のようになる。
Ｖ_n＝Ｖ_target＋（Ｖ_n-1−Ｖ_target ）exp（−ｋΔｔ） （３）
Ｖ_nは現在の制御ループ時刻のみなし電圧、Ｖ_n-1は前回の制御ループ時刻のみなし電圧、Ｖ_targetは最終的に到達させる電圧、Δｔは制御ループの時間間隔、ｋは可変光減衰器個々に特徴付けられる時定数である。

図４、５は、それぞれ本発明を用いた光減衰量の収束波形例図である。

図４は、前回の設定から比較的時間が経過した場合における補正の効果を示している。 実線で示す波形Ａはオーバーシュート補正をしない場合を示し、破線で示す波形Ｂは従来の方法でオーバーシュート補正を行った場合を示し、１点鎖線で示す波形Ｃは本発明に基づく補正を行った時の光減衰量の収束波形を示している。波形Ｂ、Ｃとも補正を行うことによりオーバーシュートの振幅は小さくなっていて、補正の効果が表れていることは明らかであるが、前回の光減衰量の設定変更から比較的時間が経過している場合は、従来の方法と本発明の方法で大きな差はあまりない。

図５は、前回の光減衰量設定から比較的早い時間に次の設定に変更した場合の収束波形である。波形Ａ〜Ｃは図４と同じ条件である。波形Ｂで示す従来の方法では補正に用いるべき設定電圧差が適切でないことからオーバーシュート補正が過補正になり、ほぼオーバーシュートと逆波形で収束していく。波形Ｃで示す本発明の方式ではみなし電圧を計算することによって適切なオーバーシュートの振幅が算出されているので、オーバーシュートはほぼ適切に補正できている。

以上説明したように、本発明によれば、所望の光減衰量を高精度で短時間に設定できる可変光減衰器を実現できる。

６ 光減衰量設定部
７ 光減衰量設定値履歴格納部
８ 光減衰量設定値保持時間格納部
９ 光減衰量設定値補正演算部

Claims (3)

1. 設定値の変更直前まで保持されていた光減衰量設定値の滞在時間情報に基づいて出力信号の設定値変更時に発生するオーバーシュートまたはアンダーシュートの少なくともいずれかを補正する補正手段を設けたことを特徴とする可変光減衰器。
2. 前記補正手段は、前記オーバーシュートまたはアンダーシュートの振幅を打ち消す補正波形を生成出力することを特徴とする請求項１に記載の可変光減衰器。
3. 前記補正手段は、前記設定値変更時に前記出力信号が指数関数的に変化するものとして補正処理することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可変光減衰器。