JP4088048B2 - 半導体レーザの制御方法及び装置並びに半導体レーザを用いたパッシブ光ネットワーク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として光通信に用いられる半導体レーザの制御方法及び装置並びに半導体レーザを光源として用いるパッシブ光ネットワークに関する。
【０００２】
【従来の技術】
低コスト性を重視した光通信ネットワークの形態に、パッシブ光ネットワーク（ＰＯＮ）がある。ＰＯＮとは、光ファイバ伝送路の途中にパッシブ部品によって構成される光分岐／結合部を挿入し、親局に接続された１本の光ファイバに複数の子局を接続する形態である。
【０００３】
図１５は、スター型と呼ばれるＰＯＮの形態の一つである。親局４に接続された幹線ファイバ１にスターカップラ２が接続され、スターカップラ２に接続された支線ファイバ３−ｘ（ｘ＝１，…，ｎ）に子局５−ｘ（ｘ＝１，…，ｎ）がそれぞれ接続されている。この形態では、親局４からの下り光信号は各子局５−ｘに分配され、同じ信号が全ての子局に伝送される。各子局５−ｘからの上り光信号は、スターカップラ２で合流した後、親局４に伝送される。このとき、各子局５−ｘがそれぞれ独立した光源を有するならば、それぞれからの上り光信号が合流時に干渉してビート雑音が発生しないよう工夫が必要である。
【０００４】
そのような方法の一つに、例えば特許第３，０１６，４６２号公報に記載される技術の基本となる方法がある。これはそれぞれの子局に備えられる光源の波長が重なり合わないように、それらの光源の波長を制御する方法である。光源として使用される半導体レーザは温度によって波長が変わるため、それぞれの子局に備えられる半導体レーザの温度を管理し、ビート雑音が発生しない程度に波長を離しておく。本明細書ではこの方法を便宜上、簡易波長多重と呼ぶことにする。
【０００５】
ＰＯＮは、１本の光ファイバを複数の子局で共有する低コストのシステムである。従って、光源である半導体レーザの波長を重なり合わないように管理する方法にも、簡易な方法を採用してコストを下げることが望ましい。半導体レーザの温度を管理する方法として、半導体レーザを加熱する加熱器の発熱量を制御する方法がある。しかし、同一のＰＯＮに接続された子局の一部のみが上り信号を出力している状態で運用されており、そこにそれまで上り信号を出力していなかった子局が新たに送信を始める場合には、加熱のみによる温度制御では以下の理由により半導体レーザの駆動初期には精度の良い温度安定化ができなくなるという問題がある。
【０００６】
半導体レーザはそれ自体が発光に伴って発熱する熱源であり、半導体レーザが発光を開始するとパッケージの温度が半導体レーザの発熱によって上昇する。パッケージの温度が上昇すると、半導体レーザ自身の温度も上昇するため、発光波長が発光を開始した時点の波長と変わってしまう。半導体レーザが発光を開始してから安定な発光に至るまでに要する時間は、ｍｓオーダ以下の短い時間であるが、パッケージの温度は数秒から数十秒に渡ってゆっくり上昇する。その間、徐々に発光波長が変化し続ける。
【０００７】
加熱器のみによる温度制御においても、温度検出器を半導体レーザのパッケージに付け、フィードバック制御ループを動作させて安定化を行うことによって、そのような温度変動を抑圧できる可能性は、パッケージ等の熱的条件次第では皆無ではない。しかし、以下のような理由によって事実上困難である。
【０００８】
ある程度の体積を持つ物体の温度を均質にかつ一定に保つためのフィードバック制御ループでは、一般に物体内の熱の拡散に要する時間によって、加熱器から温度検出器までの熱の伝達に位相遅れが生じる。そのため、大きなループゲインと速いフィードバック速度を同時に実現することが難しい。同軸型の半導体レーザパッケージに加熱器を密着させて加熱する場合、加熱対象が半導体レーザパッケージ全体であって熱容量が大きくなる。そのため、遅延が大きくなって大きなループゲインと速いフィードバックは困難である。
【０００９】
さらに、加熱のみによる温度制御では、加熱器の発熱によって温度を上昇させることは容易であるが、温度降下は発熱とは異なるメカニズムによらざるを得ず、若干の問題がある。すなわち、温度降下は加熱器の発熱量をそれまでより下げてパッケージからの自然放熱を待つ必要があり、自然放熱では単位時間あたりの放熱量の制御、特に放熱量を増加させる制御ができず、温度降下時のループゲインは非常に小さくなる。一方、半導体レーザ自体の発熱による温度上昇は加熱器による発熱と同等の扱いとなり、比較的急な温度上昇を引き起こす。しかし、ループゲインが小さく遅延が大きい放熱時のフィードバック制御ループでは、この温度上昇をうち消すだけの制御ができず、温度が徐々に変化する。
【００１０】
フィードバック制御が十分機能するようにするためには、半導体レーザのパッケージを十分小さくして上記の遅延を小さくし、かつ、パッケージを放熱板などに付けて温度降下時のループゲインを増加させる必要がある。これはパッケージ自体を市販品とは著しく異なるものとする必要があり、コスト面で現実的な方法とは言えない。また、放熱板を付けることで、動作を確保するための加熱器の発熱量、すなわち消費電力が増加する。さらに、加熱器から放熱板までの温度勾配が大きくなるため、半導体レーザのパッケージ内の温度の均一性が失われ、安定した制御が困難になる。事実上このような方法は実現性が低く、実現できても動作安定性が低い。
【００１１】
このように、加熱のみで光源の半導体レーザの温度制御を行っている子局が運用中のＰＯＮの上り信号系に新たに加わった場合、半導体レーザの駆動開始後、数秒から数十秒にわたって、発光波長が徐々に変化してしまう。先の簡易波長多重方式では、このような波長変化の範囲にわたって他の子局からの送信光に対して、ビート雑音が発生しない程度に十分離れているとは限らない。半導体レーザの発熱によるパッケージの温度上昇は、条件により多少変化するが、およそ１℃前後であり、波長変化量としては０．１ｍｍ前後に相当する。
【００１２】
一方、Matuo らよる “The Experimental Study of the Influence of Optical Beat Interference on FM-video Transmission System Employing 30ch Multiple Optical Carriers”(20th European Conference on Optical Communication, pp.857-860, 1994)と題する論文によれば、ビート雑音を発生させない波長間隔は０．２ｎｍ程度である。運用中に新たに子局が加わる場合に、その子局の発光波長の不確定性を見込んで、その近辺の波長を多少余裕を持って空けておくにしても、波長間隔が０．２ｎｍ程度であることを考慮すれば、半導体レーザの発熱による温度上昇分０．１ｎｍを余分に空けることは無駄である。子局数が多い場合には、そのために送信波長を変える子局数が増加し、制御が大規模になってしまう可能性がある。また、波長を余分に空けるためには各々の温度制御器の発熱量が大きくなり、消費電力が増加する。
【００１３】
このような温度変化は、例えば光源の光出力端に光スイッチを設け、発光開始後温度が安定するまで光が子局の外に漏れないようにする、などの方法によって回避可能である。しかし、光スイッチは現時点では高価であり、これを用いることによって光送信器全体の価格が上昇する。これは、同軸型半導体レーザパッケージと加熱のみによる温度制御を用いることによる低コスト化と相反する方向である。同軸型レーザと加熱のみによる温度制御器を用いた簡素な光送信器には、高価な部品を用いずにできるだけ簡便な方法で、上述のような問題を解決することが望ましい。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＰＯＮにおける上り信号の合成方式として簡易波長多重方式を採用し、子局の光源に対して加熱のみによる温度制御を用いて波長を管理する従来の技術では、運用中のＰＯＮの上り系統に新たに子局が加わろうとすると、子局の光源である半導体レーザの駆動を開始したとき、半導体レーザのパッケージ温度が半導体レーザ自体の発熱によって徐々に上昇し、それに伴って半導体レーザの波長が徐々に変化して、他の上り信号に影響を与える可能性があった。また、この問題に対するこれまでの解決方法は、消費電力が大きかったり、コストがかかり、簡易波長多重方式の簡易性、低コスト性を損なうものであった。
【００１５】
本発明は、こうした半導体レーザの駆動開始時の波長変化を簡易で低コストかつ消費電力の低い手法によって回避できる半導体レーザの制御方法及び装置並びに半導体レーザを用いたパッシブ光ネットワークを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の一つの態様によると、半導体レーザを加熱する加熱器を半導体レーザの駆動開始時刻以前に所定の発熱量だけ発熱させた後、半導体レーザの駆動開始時刻に半導体レーザの温度が下降状態となるように加熱器の単位時間当たりの発熱量を減少させる。
【００１７】
より具体的には、半導体レーザの駆動開始以前に半導体レーザのパッケージを加熱器によって予め暖めた後、半導体レーザの駆動開始以前に加熱をやめるか、発熱量を減らすことによって、半導体レーザのパッケージ温度が下がりつつある状態のとき（半導体レーザの駆動開始時刻に温度が下がり始める形態を含めて）、半導体レーザの駆動が開始されるようにする。半導体レーザの駆動が開始されると、半導体レーザ自体から発生する熱量が半導体レーザのパッケージに供給されるが、駆動以前の加熱によって温度が下降している途中であるため、それらが相殺し合ってほぼ一定の温度を保つことが可能である。このようにすることによって、半導体レーザの出力波長が駆動開始後に徐々に変化する現象を回避し、出力波長をほぼ一定の値に保持することが可能となる。
【００１８】
本発明の他の態様では、半導体レーザを加熱する加熱器を半導体レーザの駆動開始時刻以前に所定の発熱量だけ発熱させた後、駆動開始時刻に半導体レーザの温度が下降状態となるように加熱器の単位時間当たりの発熱量を減少させる点は上記の態様と同様であるが、この発熱量減少後における加熱器の単位時間当たりの発熱量を零以上の一定値に保持する制御を行う。この制御によって、半導体レーザの駆動開始直後から半導体の温度をほぼ一定に保つことが可能となる。
【００１９】
本発明のさらに別の態様では、半導体レーザを加熱する加熱器を半導体レーザの駆動開始時刻以前に所定の発熱量だけ発熱させた後、加熱器の単位時間当たりの発熱量を減少させ、半導体レーザの検出温度が所定値に低下した時点で半導体レーザの駆動を開始させ、半導体レーザの駆動開始後、検出温度が所定値に保持されるように加熱器の発熱量を制御する。
【００２０】
本発明に係るパッシブ光ネットワークは、本発明に基づいて制御される半導体レーザを上り信号送信用光源として有する複数の子局を含むことを特徴とする。前述のように、本発明では半導体レーザの温度制御を加熱器のみで行う場合に、半導体レーザの駆動開始時からの波長変動を極力抑圧することが可能である。従って、本発明に基づいて制御される半導体レーザを上り信号用光源に適用した子局で構成されるパッシブ光ネットワークは、運用中に新たに子局が加わるときの子局の波長変動が小さく、波長変動によるビート雑音の発生の可能性が小さくなる。
【００２１】
その結果、パッシブ光ネットワークの安定した動作が可能となり、また他の子局光源の温度の上げ幅が小さくなるため、消費電力が小さくなる。さらに、光源の半導体レーザの温度を従来より低く保つことによって半導体レーザの寿命が長くなり、より信頼性の高いシステムを構築できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
［第１の実施形態］
図１に、本発明の第１の実施形態に係る構成を示す。半導体レーザ（レーザダイオード）１１を制御する半導体レーザ制御装置１２は、半導体レーザ１１のパッケージに密着された加熱器１３と、加熱器１３を駆動制御する加熱器駆動制御回路１４から構成される。半導体レーザ１１は、実質的にはパッケージ化されている。加熱器１３は、例えば中・大電流トランジスタやニクロム線からなる。
【００２３】
図２は、図１の半導体レーザ１１と加熱器１３及びその周辺部の構造の一例を示している。半導体レーザ１１は、図２の例では同軸型半導体レーザパッケージ３１内に実装されており、これに熱的に接続されたフランジ３２は筐体３３に空けられたねじ穴３４に、ねじ３５を差し込みことによって筐体３３に固定されている。この際、ねじ３５に例えばアクリル樹脂その他の熱抵抗の大きい材料を用い、さらにフランジ３２と筐体３３の間にアクリル樹脂あるいはフッ素樹脂のような熱抵抗の大きい材料からなるスペーサ３６を設けることによって、半導体レーザパッケージ３１から筐体３２への熱伝導を抑えている。
【００２４】
加熱器１３は、図２の例ではトランジスタ３７が用いられる。このトランジスタ３７の熱的接触部（熱伝導部、例えば放熱部）３８も、フランジ３２を介して筐体３３に固定される。通常、フランジ３２はグラウンドに落とすことが多いので、トランジスタ３７の熱伝導部３８もグラウンド電極と共用すればよい。
【００２５】
このような構成とすることにより、半導体レーザパッケージ３１から筐体３３への熱伝導を抑えて、トランジスタ３７の熱が半導体レーザパッケージ３１に効率的に伝わり、かつ放散しにくくなる。従って、比較的低消費電力のトランジスタ３７を用いて半導体レーザパッケージ３１を加熱し、その波長を制御することができる。
【００２６】
なお、図２においては半導体レーザパッケージ３１にサーミスタ３９が接触または接着して設けられている。このサーミスタ３９は後述する実施形態において用いられる温度検出器であり、半導体レーザパッケージ３１の温度変化に敏感に反応して温度を正確に測定することができる。
【００２７】
図２の構成によると、トランジスタ３７を同軸型半導体レーザパッケージ３１に密着させて加熱器１３として用いることにより、トランジスタ３７に電流を流すことによってパッケージ３１の温度を上昇させることができる。トランジスタ３７の内部で発生した熱は、トランジスタ３７のパッケージや半導体レーザパッケージ３１に徐々に伝わり、温度上昇を引き起こす。温度上昇の速度は、それらの熱容量と熱抵抗及び放熱される時の熱抵抗によってほぼ決定される。一方、温度を下降させたい場合には、トランジスタ３７の発熱を止めるか、発熱量を下げるかして、トランジスタ３７や半導体レーザパッケージ３１から自然放熱させるようにすればよい。
【００２８】
半導体レーザ１１そのもの（レーザチップ）の温度変化は、半導体レーザパッケージ３１内のレーザチップの配置や、加熱器１３との位置関係及び放熱部との位置関係によってパッケージ３１の表面温度と微妙に異なる。しかし、半導体レーザパッケージ３１は一般に、レーザチップからの熱を容易に放散させるようにその内部の熱抵抗を十分小さくしているため、レーザチップの温度とパッケージ３１の他の部分の温度はほぼ等しいとみなせる。
【００２９】
図１に説明を戻すと、加熱器駆動制御回路１４は加熱器１３が図２に示したトランジスタ３７あるいはニクロム線で構成される場合、それらに流す電流量を制御することによって、加熱器１３の発熱量を制御する。このように加熱器１３と加熱器駆動制御回路１４により、半導体レーザ制御装置１２は半導体レーザ１１の温度を制御する温度制御器を構成する。
【００３０】
図３は、本実施形態における加熱器１３の発熱量の概略的な時間変化の例を示すグラフである。加熱器駆動制御回路１４は、半導体レーザ１１の駆動開始時刻ｔＬ以前に加熱器１３を発熱させ、所定時間後に単位時間当たりの発熱量を減少させて一定量とする。発熱量を一定量に減少させる前の発熱量の時間変化の曲線は任意の形状で良いが、その発熱期間及び発熱量は以下のように３つの要素ＴＬ，Ｔｃ１，Ｔｓがバランスするように決定される。
【００３１】
半導体レーザパッケージ３１に加えられた熱量は、周囲に自然放熱していく。自然放熱の時定数は、半導体レーザパッケージ３１やトランジスタ３７の熱容量と放熱する周囲の熱抵抗で決定される。トランジスタ３７の発熱量を小さくすることによって、半導体レーザパッケージ３１の温度は下がり始める。トランジスタ３７の発熱量を小さくした後の単位時間当たりの発熱量を一定値に保つことによって、半導体レーザパッケージ３１の温度の下降曲線は、放熱の時定数で決定される指数関数状の曲線となる。
【００３２】
一方、加熱器１３による加熱がなかった場合の半導体レーザ１１自体の発熱による半導体レーザパッケージ３１の温度上昇は、発熱による加熱とパッケージ３１からの放熱とがバランスする点を収束点とする曲線となる。このときに描く温度上昇曲線は、半導体レーザパッケージ３１とこれに熱的に密着しているトランジスタ３７から周囲に放熱してゆくときの時定数で決定される指数関数状の曲線となる。
【００３３】
従って、これら２つの曲線をその比を適切にとって足し合わせることにより互いにキャンセルし、温度を一定値にさせることが可能である。すなわち、半導体レーザ１１の駆動を開始した直後から、半導体レーザ１１の温度をほぼ一定の温度に保つことが可能となる。適切な比とは、具体的には以下の３つの要素によって決定される。
【００３４】
図４及び図５に示すグラフを用いて説明する。図４は、本実施形態における加熱器１３の発熱量の概略的な制御方法を示すグラフである。時刻ｔ＝０において加熱器１３の発熱を開始し、時刻ｔ＝ｔ１で発熱量を下げて一定の値Ｈｃにした後、時刻ｔ＝ｔＬにおいて半導体レーザ１１が駆動開始される。
【００３５】
第１の要素は、加熱器１３による加熱を行わずに半導体レーザ１１の駆動を開始し、十分時間が経過した後、半導体レーザ１１自体の発熱とパッケージ３１からの放熱が平衡したときの半導体レーザ１１の駆動前からの温度上昇分である。図５（ａ）に、半導体レーザ１１の発熱のみの場合のパッケージ３１の温度上昇の様子を示す。第１の要素は図５（ａ）におけるＴＬに相当する。
【００３６】
第２の要素は、半導体レーザ１１のパッケージ３１を加熱器１３によって時刻ｔ＝０から一定の発熱量Ｈｃで加熱したと仮定したときに定まる値である。図５（ｂ）は、一定の発熱量Ｈｃのみによる半導体レーザパッケージ３１の温度上昇分を図示したものであり、図中のＴｃ１が第２の要素である。すなわち、Ｈｃのみで加熱し、十分に時間が経過した後の平衡状態の加熱前の温度からの温度上昇分Ｔｃ０と、半導体レーザ１１の駆動開始時刻での温度上昇分の差分がＴｃ１である。
【００３７】
第３の要素は、加熱器１３の発熱のうち一定値Ｈｃを除いた分によって引き起こされた温度上昇分によって決定される値である。この温度上昇分は時間と共に徐々に減少してゆくが、半導体レーザ１１の駆動開始時刻において残留する温度上昇分である。すなわち、図４において斜線で示した面積Ｓに対応する熱量によって引き起こされた半導体レーザパッケージ３１の温度上昇は、図５（ｃ）に示すようになり、第３の要素は図におけるＴｓに相当する。
【００３８】
これら３つの要素ＴＬ，Ｔｃ１，ＴｓがほぼＴｓ＝ＴＬ＋Ｔｃ１の関係を満たすようにそれぞれのパラメータ、特に面積Ｓとその持続時間ｔ１、一定になった後の発熱量Ｈｃを適切に設定する。
【００３９】
このようにすることによって、半導体レーザパッケージ３１の温度ひいては半導体レーザ１１のチップ温度を、加熱器１３での加熱のみによる温度制御を用いながらも半導体レーザ１１の駆動開始時刻からほぼ一定に保ち、もって波長の変動を効果的に抑圧することが可能となる。
【００４０】
図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に、本実施形態に基づく加熱器１３の発熱量の種々の時間変化を示す。図５（ａ）では、半導体レーザ１１の駆動開始時刻ｔＬより以前にインパルス状の発熱量を与えている。図６（ｂ）では、時刻ｔＬより以前に一定の高い発熱量を与えている。図６（ｃ）では、時刻ｔＬより以前になだらかな山状の発熱量を与えている。いずれの発熱パターンも、発熱量のピークはその後の一定値Ｈｃよりも大きい。
【００４１】
また、発熱量を減少させた後の一定値Ｈｃは、図３、図４及び図６では正の有限値であるが、０でもよい。すなわち図７に示すように半導体レーザ１１の駆動開始時刻ｔＬの以前に、加熱器１３を一旦発熱させた後、発熱を止めてもよい。この場合には、図５（ｂ）中のＴｃ１に相当する部分が０になり、ｔＬとＴｓから加熱器１３の発熱部分の発熱量及び発熱期間を決定する。
【００４２】
さらに、加熱器１３の発熱量を減少させ始める時刻は、図３、図４、図６及び図７に示したように半導体レーザ１１の駆動開始時刻ｔＬより前でもよいが、図８に示すように時刻ｔＬと同時でもよい。また、図６（ａ）に示すようなインパルス状の発熱量を時刻ｔＬに与えてもよい。
【００４３】
このように本実施形態によると、半導体レーザ１１の温度制御を加熱器１３による加熱のみで行う場合に、半導体レーザ１１の駆動開始時刻ｔＬの直後から、半導体レーザ１１（半導体レーザパッケージ３１）の温度をほぼ一定に保つことが可能となり、その結果、半導体レーザ１１の発振波長を発振直後からほぼ一定に保つことが可能となる。
【００４４】
次に、図９を用いて本実施形態における加熱器駆動制御回路１４の具体的な構成の一例を説明する。
図９において、半導体レーザ１１の駆動開始後の目標波長１０１及び半導体レーザ１１の周囲温度１０２の情報が制御パラメータ決定部１０３に入力される。制御パラメータ決定部１０３は、図４に示す加熱器１３の発熱量のうち、一定値Ｈｃと、Ｈｃを除いた斜線で示すパルス状部分の形状、すなわち発熱継続時間（パルス幅）と発熱量（パルス高）を決定する。
【００４５】
具体的には、制御パラメータ決定部１０３では目標波長１０１より半導体レーザ１１が目標波長１０１で発振するための温度を決定し、周囲温度１０２より必要な温度上昇量とそのために必要な発熱量を決定する。さらに、周囲温度によって半導体レーザ１１からの放熱時の熱抵抗が変化するため、制御パラメータ決定部１０３は周囲温度１０２に対応して、加熱器１３の発熱量のパルス部分の形状を補正して決定する。制御パラメータ決定部１０３から出力されるパルス部分の形状に関する情報はパルス発生部１０４に、また一定値Ｈｃの情報は直流発生部１０５にそれぞれ入力される。
【００４６】
一方、タイミング制御部１０７には加熱器１３の駆動開始要求１０６が入力される。この駆動開始要求１０６は、半導体レーザ１１の駆動開始時刻ｔＬの一定時間前に入力される。タイミング制御部１０７は、この駆動開始要求１０６に対応して加熱器１３の発熱を開始すべく、パルス発生部１０４に対してパルス状の信号を発生させるよう制御し、同時に直流発生部１０５に対して一定値Ｈｃに対応する電圧を発生させるように制御する。これらパルス発生部１０４と直流発生部１０５の出力信号は加算器１０８によって加算され、加算器１０８の出力信号は加熱器１３を駆動するのに適切な信号形態とすべく電圧−電流変換部１０９によって電圧信号から電流に変換された後、加熱器１３である例えば図２中に示したトランジスタ３７に供給される。
【００４７】
第１の実施形態においては、半導体レーザ１１の駆動を開始した後、周囲の温度や半導体レーザ１１の駆動電流等の条件が一切変化しなければ、ずっと温度は一定に保たれる。しかし、通常は何らかの条件変化が生じる。そのような条件変化があった場合に対応するためには、半導体レーザ１１の温度を検出し、その検出温度が所望の温度で一定になるように加熱器１３の発熱量を制御するフィードバック制御ループを設ければよい。
【００４８】
［第２の実施形態］
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る構成を示す図である。半導体レーザ１１は、半導体レーザ駆動回路２１により駆動される。半導体レーザ１１を制御する半導体レーザ制御装置２２は、半導体レーザ１１に密着された加熱器１３及び温度検出器２３と、加熱器駆動制御回路２４から構成される。
【００４９】
半導体レーザ１１及び加熱器１３は、基本的に例えば図２に示したような構成よい。但し、加熱器１３である例えばトランジスタ３７が半導体レーザパッケージ３１とは異なる蓄熱系統を有し、かつその系統の蓄熱量が無視できないものとなっている場合、例えば加熱器１３であるトランジスタ３７に他の熱容量が大きい部品が接続されている場合に、本実施形態は特に有用である。
【００５０】
温度検出器２３は、半導体レーザ１１の半導体レーザパッケージ３１の温度を検出する素子であり、例えば図２中に示したサーミスタ３９や半導体温度センサなどが用いられる。温度検出器２３による検出温度の情報は、加熱器駆動制御回路２４に入力される。加熱器駆動制御回路２４は、さらに半導体レーザ駆動回路２１にも接続されており、半導体レーザ１１の駆動開始タイミングを制御する。
【００５１】
半導体レーザ制御装置２２内では、温度検出器２３による検出温度が所定の一定値となるように加熱器１３の発熱量を制御するために、温度検出器２３→加熱器駆動制御回路２４→加熱器１３→半導体レーザ１１（半導体レーザパッケージ３１）→温度検出器２３という経路のフィードバック制御ループが構成されている。また、このフィードバック制御ループには、ループの開閉機構が設けられている。
【００５２】
図１１は、本実施形態の動作を説明するための図であり、（ａ）は温度検出器２３による検出温度、（ｂ）は加熱器１３の発熱量の時間変化をそれぞれ示している。図１１（ａ）におけるＴａは、半導体レーザ１１の目標温度である。
まず、フィードバック制御ループが開の状態で加熱器１３を高い発熱量で発熱させ、半導体レーザ１１を加熱する。この加熱に伴って、温度検出器２３による検出温度は上昇する。
【００５３】
次に、加熱器１３の発熱量を下げると、徐々に温度検出器２３による検出温度が下がってゆく。検出温度が目標温度Ｔａに下がった時点で、半導体レーザ駆動回路２１の動作を開始させ、半導体レーザ１１の駆動を開始する。同時に、フィードバック制御ループを閉の状態とし、検出温度がＴａに保たれるように制御する。
【００５４】
半導体レーザ１１の駆動開始前に加熱器１３によって与える発熱量は、フィードバック制御ループによる温度保持機能が無かったと仮定した場合に、半導体レーザ１１の駆動開始直後の温度がほぼ目標温度で一定になる発熱量、すなわち第１の実施形態と同様の熱量である。
【００５５】
加熱器１３が半導体レーザパッケージ３１と異なる蓄熱系統を有し、その蓄熱量が無視できない場合には、駆動開始直後は一定でも、その後、徐々に目標温度Ｔａからずれてしまう。フィードバック制御ループは、そのずれを補正するために使用する。図１１（ｂ）で駆動開始時刻ｔＬ以降の加熱器１３の発熱量は、フィードバック制御ループによって制御されている。他の蓄熱系統が無視できない熱容量を有し、半導体レーザパッケージ３１と熱的な独立性が強いと、熱が伝搬してくる時定数が大きくなる。そのため、放置すれば徐々に検出温度が上昇してしまうところを本実施形態ではフィードバックを掛けて加熱器１３の発熱量を下げ、検出温度を一定に保っている。
【００５６】
このようにすることによって、加熱器１３が熱的な独立性が高い他の蓄熱系統を有している場合でも、半導体レーザ１１の温度を駆動開始直後からほぼ一定に保ち、その結果、半導体レーザ１１の発振波長をほぼ駆動開始直後から一定に保つことができる。例えば、加熱器１３が半導体レーザパッケージ３１とは独立性の高い無視できない量の蓄熱系統を有するものとすると、第１の実施形態では半導体レーザ１１の駆動以前の発熱量をどのように調整しても、駆動開始後の温度を一定に保つことはできず、温度が一定になるまで非常に時間がかかるか、駆動直後の短い時間はほぼ一定でも徐々に温度が変化してしまう。
【００５７】
これに対し、本実施形態では半導体素子１１の駆動以前の加熱器１３の発熱量は、駆動直後の短い時間所望の温度で半導体レーザパッケージ３１の温度がほぼ一定になるような値とし、時間が経過して所望の温度から徐々にずれ始めた分をフィードバック制御で補正することによって、加熱器１３に独自の蓄熱系統があっても、半導体レーザパッケージ３１の温度、ひいては半導体レーザ１１の発振波長を駆動開始直後からほぼ一定に保持することが可能となり、さらに半導体レーザパッケージ３１と加熱器１３の実装形態の自由度が増加するという利点がある。
【００５８】
次に、図１２を用いて本実施形態における加熱器駆動制御回路２４の具体的な構成の一例について述べる。
図１２において、半導体レーザ１１の駆動開始後の目標波長２０１及び温度検出器２３による検出温度２０２の情報が制御パラメータ決定部２０３に入力される。制御パラメータ決定部２０３では、目標波長２０１により半導体レーザ１１が発振するための目標温度２０４を決定する。さらに、温度検出器２３による検出温度２０２によって補正された半導体レーザ１１の駆動開始以前の加熱器１３の発熱形状を決定し、この発熱形状に従ったパルスパラメータ２０９を予備加熱信号発生部２１０に入力する。
【００５９】
一方、温度検出器２３による検出温度２０２と制御パラメータ決定部２０３で決定された目標温度２０４の情報が加算器２０５で比較減算され、これらの温度の差に相当する誤差信号が生成される。この誤差信号は、半導体レーザ１１の温度を安定化するためのフィードバックに用いられる。フィードバック制御ループには、ループ開閉用のスイッチ２０６が挿入され、半導体レーザ１１の駆動が開始されるまではスイッチ２０６によってフィードバック制御ループは開の状態となっている。
【００６０】
タイミング制御部２０５は、入力された半導体レーザ駆動開始要求２０７に従って、まず予備加熱信号発生部２１０から半導体レーザ１１の駆動開始以前に加熱器１３の発熱を開始するように制御する。予備加熱信号発生部２１０から出力された加熱器１３の駆動信号は、加算器２１３を介して電圧−電流変換部２１４に入力され、加熱器１３を駆動するための電流信号に変換された後、加熱器１３に供給される。これにより加熱器１３が予備加熱信号発生部２１０からの信号に従い発熱することによって、半導体レーザ１１の温度は一旦、目標温度２０４より上昇し、発熱量が減少すると温度が下降し始める。
【００６１】
加算器２０５の出力は二分岐され、タイミング制御部２０８にも入力されている。加算器２０５の出力である誤差信号が０になったとき、すなわち温度検出器による検出温度２０２と目標温度２０４が等しくなったとき、タイミング制御部２０８はスイッチ２０６を閉じてフィードバック制御ループを閉の状態とし、さらに、半導体レーザ駆動回路２１に半導体レーザ１１の駆動を開始させる信号を送り出す。スイッチ２０６が閉じられた直後は、加算器２０５から出力されている誤差信号が０であるため、フィードバック制御ループは加熱器１３に対して発熱量の増減は行わない。
【００６２】
半導体レーザ１１の駆動が開始されてから時間が経過し、半導体レーザ１１自体の発熱と、半導体レーザパッケージ３１や加熱器１３からの放熱によって温度検出器２３による検出温度と目標温度に差が生じてきたときには、誤差信号が非０の値となり、この差を補正するようにフィードバック制御ループが動作する。
【００６３】
このとき、誤差信号は閉じられたスイッチ２０６を通過して増幅器２１１によりループ利得が付加され、さらにループフィルタ２１２によりループ帯域が制限された後、加算器２１３によって予備加熱信号発生部２１０からの出力信号と加算され、電圧−電流変換部２１４によって電流信号に変換された後、加熱器１３である例えば図２中に示したトランジスタ３７に供給され、加熱器１３の発熱量を増加または減少させる。
【００６４】
なお、発熱量を減少させる場合とは、予備加熱信号発生部２１０からの出力信号がフィードバック制御ループの信号と加算されることにより、図４に示した半導体レーザ１１の駆動開始後における一定値Ｈｃの発熱量から発熱量を削ることが可能な場合をいう。
【００６５】
［第３の実施形態］
次に、図１３を用いて本発明の第３の実施形態に係るパッシブ光ネットワークについて説明する。
図１３においては、親局４に接続された幹線ファイバ１にスターカップラ２が接続され、スターカップラ２に接続された支線ファイバ３−１〜３−４に子局５−１〜５−４がそれぞれ接続されている。親局４と子局５−１〜５−４でスター型パッシブ光ネットワーク（ＰＯＮ）が形成されている。
【００６６】
子局５−１〜５−４には、それぞれ親局４に光を送信するための光送信器６が備えられている。光送信器６には、光源として半導体レーザ１１が備えられているが、半導体レーザ１１は温度を可変するためのペルチェ素子などを含まない、例えば図２に示したような同軸型半導体レーザパッケージ３１等によるものである。半導体レーザ１１には、例えば第１の実施形態で説明した半導体レーザ制御装置１２（または第２の実施形態で説明した半導体レーザ制御装置２２）が接続されている。第２の実施形態に従えば、半導体レーザ制御装置２２には半導体レーザ駆動回路２１も接続される。
【００６７】
このように第１または第２の実施形態で説明した半導体レーザ制御装置を子局５−１〜５−４に使用した本実施形態に基づくＰＯＮは、光を送出していなかった子局が新たに送信を開始する場合にも、安定した品質の動作が可能である。以下、ＰＯＮ内での動作を説明する。
図１３において、子局５−１〜５−４のうち５−１，５−３，５−４が親局４に対して光を送信している状態で、新たに子局５−２が加わる場合を想定する。図１３のＰＯＮでは、上り信号の多重方式には前述した簡易波長多重を用いている。従って、動作中のそれぞれの子局からの光は重なり合わない間隔以上の任意の波長間隔がとられている。図１３中には、それぞれの子局５−１〜５−３が送出する光の波長が示されており、子局５−１はλ１、子局５−３はλ３、子局５−４はλ４の波長の光を送出している。子局５−２が新たに光を送出するとき、図示されているようなλ２の波長で送出すれば、他の光と重ならない。
【００６８】
ここで、第１、第２の実施形態で述べたような半導体レーザ制御装置を用いることによって、半導体レーザ１１に取り付けられた温度可変素子が加熱器１３であっても、子局５−２は半導体レーザ１１の駆動開始直後から温度がほぼ一定に安定化され、その結果、出力波長が駆動開始直後からほぼ一定に安定化される。すなわち、子局５−２に対しては出力波長がλ２となるような温度に目標温度設定して、半導体レーザ１１を温度制御するとともに駆動を開始することにより、半導体レーザ１１の駆動開始直後からその出力波長をほぼλ２とすることが可能である。
【００６９】
従って、従来の技術で見られたような半導体レーザ１１の駆動開始直後の波長の変動がなくなるため、他の子局５−１，５−３，５−４からの光に波長が重なることがなく、ＰＯＮ全体の動作の信頼性が高まる。また、新たな加える古曲の波長変動幅を考慮して、田野古曲の波長を予め大きく変えて大きな波長スペースをとっておく必要がなくなる。そのため、他の子局の光源である半導体レーザの温度上昇幅が小さいため消費電力が小さく、さらに光源の長寿命化が可能となり、ＰＯＮ全体の信頼性が向上する。
【００７０】
［第４の実施形態］
図１４は、本発明の第４の実施形態に係るパッシブ光ネットワークを示している。本実施形態は、ＰＯＮがバックアップ系を有しており、主系統に障害が発生した時に従系統に切り替えることができるシステムに関する。
【００７１】
子局５−１〜５−４には、第１、第２の実施形態で説明した半導体レーザ制御装置を含んだ光送信器が使用される。図１４中においてブロック番号にａを含む系統が主系統、ｂを含む系統が従系統である。すなわち、幹線ファイバ１ａとスターカップラ２ａを含む系統が主系統、幹線ファイバ１ｂとスターカップラ２ｂを含む系統が従系統である。子局５−１〜５−４は、それぞれ２つの光送信器６ａ，６ｂを有している。光送信器６ａは主系統のＰＯＮを介して親局４の光受信器７ａに接続され、送信器６ｂは従系統のＰＯＮを介して光受信器７ｂに接続されている。
【００７２】
子局５−１の上りの主系統に障害が発生すると、子局５−１は光送信器６ｂを用いて従系統に接続し、通信を継続する。その後、子局５−１の上り主系統の障害の原因が除去された場合、子局５−１はそれまで通信していた従系統から主系統に通信を切り替える必要がある。障害が他の子局には発生していなかったならば、子局５−２〜５−４はその間、引き続き主系統で通信を継続する。
【００７３】
そこに、子局５−１が従系統から主系統に切り替えるという事態は、第３の実施形態と同様に、あるＰＯＮに新たに送信を始める子局が発生することと見なすことができる。すなわち、光受信器７ａに接続される主系統ＰＯＮにおいて子局５−２，５−３，５−４が上り光信号をそれぞれ波長λ２，λ３，λ４で送信しており、そこに、これまで従系統ＰＯＮで光受信器７ｂに対し光送信器６ｂから上り送信を行っていた子局５−１が、主系統ＰＯＮに光送信器６ａから上り光信号の送信を開始する。子局５−１が光送信器６ａから送出する光の目標波長はλ１であり、λ１であれば主系統ＰＯＮに接続している他の子局の上り光信号と重ならずに通信を開始することが可能である。
【００７４】
光送信器６ａは、第１の実施形態で説明したような半導体レーザ制御装置１２（または第２の実施形態で説明した半導体レーザ制御装置２２）を内蔵しており、半導体レーザ１１の駆動開始直後から送信波長λ１に対応する温度に半導体レーザ１１を安定化させるように動作する。その結果、半導体レーザ１１自体の発熱による駆動開始直後の温度変動が抑圧され、子局５−１は送信開始直後から送信波長をλ１とすることが可能となる。主系統ＰＯＮに接続している他の子局５−２，５−３，５−４の上り光信号に影響を及ぼすことなく、主系統ＰＯＮに接続系統を戻すことが可能となり、ＰＯＮの動作をより安定にすることが可能となる。
【００７５】
なお、以上の実施形態では、本発明の要旨に関係する部分のみを示し、本願の要旨とは直接関連しないが実施される際には必要になる部品、例えば電源部やその他の機能の制御部品等は示されていない。しかし、具体的な実施の際にはそのような部品が適宜挿入されることはいうまでもない。
【００７６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば半導体レーザを加熱器によって温度制御する場合に、半導体レーザの駆動開始以前に加熱器を発熱させた後、発熱量を減少させ、温度が下降状態にあるときに半導体レーザの駆動を開始させることによって、半導体レーザの駆動開始直後の半導体レーザ自体の発熱による温度変動を抑圧し、駆動開始直後から一定の温度にすることが可能となる。これにより駆動開始直後の半導体レーザ出力光の波長変動が抑圧され、時間的に波長が安定した発振が可能となる。
【００７７】
また、本発明によれば上り信号系で簡易波長多重を行い、子局の光送信器に本発明による半導体レーザ制御を適用したパッシブ光ネットワークＰＯＮを構成することによって、ネットワークの運用中に新たに上り信号を発する子局が加わる場合にも、半導体レーザの駆動直後からの波長変動がほとんどないため、通信中の他の子局からの光に影響を及ぼすことなく駆動を開始することができ、その結果より安定した動作のパッシブ光ネットワークを構築することが可能となる上、他の子局の光源温度上昇幅が小さくなるために低消費電力化が可能となり、光源の寿命が延びてパッシブ光ネットワーク全体の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ及びその制御装置の概略構成を示すブロック図
【図２】同実施形態における半導体レーザ及び加熱器の具体的な構成例を示す分解斜視図
【図３】同実施形態における加熱器の発熱量の概略的な時間的変化を示す図
【図４】同実施形態における加熱器の発熱量の概略的な制御方法を示す図
【図５】同実施形態における半導体レーザの発熱のみの場合と加熱器を一定発熱量で発熱させた場合及び該一定発熱量を除いた分による半導体レーザの温度変化を示す図
【図６】同実施形態における加熱器の発熱量の種々の時間変化を示す図
【図７】同実施形態における加熱器の発熱量の他の時間変化を示す図
【図８】同実施形態における加熱器の発熱量の別の時間変化を示す図
【図９】同実施形態における加熱器駆動制御回路の具体的な構成例を示すブロック図
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザと半導体レーザ駆動回路及びその半導体レーザ制御装置の概略構成を示すブロック図
【図１１】同実施形態における温度検出器による検出温度及び加熱器の発熱量の時間変化を示す図
【図１２】同実施形態における加熱器駆動制御回路の具体的な構成例を示すブロック図
【図１３】本発明の第３の実施形態に係るパッシブ光ネットワークの構成を示す図
【図１４】本発明の第４の実施形態に係るパッシブ光ネットワークの構成を示す図
【図１５】従来のスター型パッシブ光ネットワークの一形態を示す図
【符号の説明】
１…幹線光ファイバ
２…スターカップラ
３…支線光ファイバ
４…親局
５…子局
１１…半導体レーザ
１２…半導体レーザ制御装置
１３…加熱器
１４…加熱器駆動制御回路
２１…半導体レーザ駆動回路
２２…半導体レーザ制御装置
２３…温度検出器
２４…加熱器駆動制御回路

Claims (8)

1. 半導体レーザの温度を制御する方法であって、
   前記半導体レーザを加熱する加熱器を前記半導体レーザの駆動開始時刻以前に所定の発熱量だけ発熱させた後、
   前記駆動開始時刻に前記半導体レーザの温度が下降状態となるように前記加熱器の単位時間当たりの発熱量を減少させることを特徴とする半導体レーザの制御方法。
2. 半導体レーザの温度を制御する方法であって、
   前記半導体レーザを加熱する加熱器を前記半導体レーザの駆動開始時刻以前に所定の発熱量だけ発熱させた後、前記駆動開始時刻に前記半導体レーザの温度が下降状態となるように前記加熱器の単位時間当たりの発熱量を減少させ、この発熱量減少後における前記加熱器の単位時間当たりの発熱量を零以上の一定値に保持することを特徴とする半導体レーザの制御方法。
3. 半導体レーザの温度及び駆動を制御する方法であって、
   前記半導体レーザを加熱する加熱器を前記半導体レーザの駆動開始時刻以前に所定の発熱量だけ発熱させた後、前記加熱器の単位時間当たりの発熱量を減少させ、前記半導体レーザの検出温度が所定値に低下した時点で前記半導体レーザの駆動を開始させ、前記半導体レーザの駆動開始後、前記検出温度が所定値に保持されるように前記加熱器の発熱量を制御することを特徴とする半導体レーザの制御方法。
4. 半導体レーザの温度を制御する半導体レーザ制御装置であって、
   前記半導体レーザを加熱する加熱器と、
   前記加熱器を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記加熱器を前記半導体レーザの駆動開始時刻以前に所定の発熱量だけ発熱させた後、前記駆動開始時刻に前記半導体レーザの温度が下降状態となるように前記加熱器の単位時間当たりの発熱量を減少させることを特徴とする半導体レーザの制御装置。
5. 半導体レーザの温度を制御する半導体レーザ制御装置であって、
   前記半導体レーザを加熱する加熱器と、
   前記加熱器を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記加熱器を前記半導体レーザの駆動開始時刻以前に所定の発熱量だけ発熱させた後、前記駆動開始時刻に前記半導体レーザの温度が下降状態となるように前記加熱器の単位時間当たりの発熱量を減少させ、この発熱量減少後における前記加熱器の単位時間当たりの発熱量を零以上の一定値に保持することを特徴とする半導体レーザの制御装置。
6. 半導体レーザの温度及び駆動を制御する半導体レーザ制御装置であって、
   前記半導体レーザを加熱する加熱器と、
   前記半導体レーザの温度を検出する温度検出器と、
   前記温度検出器の検出温度に基づき前記半導体レーザ及び前記加熱器を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記加熱器を前記半導体レーザの駆動開始時刻以前に所定の発熱量だけ発熱させた後、前記加熱器の単位時間当たりの発熱量を減少させ、前記検出温度が所定値に低下した時点で前記半導体レーザの駆動を開始させ、前記半導体レーザの駆動開始後、前記検出温度が所定値に保持されるように前記加熱器の発熱量を制御することを特徴とする半導体レーザの制御装置。
7. 前記制御手段は、前記温度検出器の検出温度が前記所定値に保持されるように前記加熱器の発熱量を制御するフィードバック制御ループ及び該フィードバック制御ループを開閉するループ開閉手段を有し、
   前記ループ開閉手段は、前記半導体レーザの駆動開始以前は前記フィードバック制御ループを開状態とし、前記温度検出器の検出温度が前記所定値になったとき前記フィードバック制御ループを閉状態とすることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの制御装置。
8. 請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の半導体レーザ制御装置によって制御される半導体レーザを上り信号送信用光源としてそれぞれ有する複数の子局を含むパッシブ光ネットワーク。

Images