JP4259304B2 - 光増幅用制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、光通信の受信器などにおける光増幅を制御する装置に係り、特に、光−光増幅素子や増幅作用のある受光素子の長寿命化・低消費電力化などに有利な光増幅用制御装置に関するものである。

光通信の受信器などにおいては、通信データを担持した光信号を増幅して受光するために増幅受光系を備える。増幅受光系には、受光素子自体が光増倍作用を持つものや、光−光増幅素子でいったん光を増幅してから受光素子で受光するものなどがある。以下、具体的な例を説明する。

アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤという）を用いた受光回路においては、ＡＰＤに降伏電圧（ブレークダウン電圧）に近い高い逆バイアス電圧を印加する。ＡＰＤは、光励起されたキャリアを逆バイアス電圧により加速し増倍することにより入力感度を高めることができる素子、即ち、増幅作用のある受光素子である。ＡＰＤの感度を高めるためにはバイアス電圧を高めればよい。ただし、ＡＰＤが降伏してしまうと過剰雑音により感度を失うので、印加できる電圧はブレークダウン電圧が上限となる。また、ＡＰＤに流せる電流にも最大電流値と呼ばれる上限がある。よって、印加するバイアス電圧は、これらブレークダウン電圧及び最大電流値で規定される上限のバイアス電圧に近付け、しかし、この上限を越えない程度に制御することが重要となる。

なお、ブレークダウン電圧は温度によって変動する。

従来のＡＰＤのバイアス電圧制御装置は、図２に実線で示した上限のバイアス電圧による上限線２１を越えない程度に上限線２１に沿ってバイアス電圧を制御している。即ち、ＡＰＤの受光信号を帰還してバイアス電圧を制御し、光入力レベルが小さいときには、極力ＡＰＤの感度を高めるためにバイアス電圧を高めるが、ブレークダウン電圧Ｖｂを上限とする。光入力レベルが大きくなるとＡＰＤを流れる光電流が大きくなるので、最大電流値を上限とする。最大電流値を上限とする制御では、光入力レベルが大きくなるほどバイアス電圧を低くすることになる。

この結果、上限線２１は図示のように、光入力レベルが小さい範囲ではブレークダウン電圧Ｖｂで規定され、光入力レベルが大きい範囲では右肩下がりの傾斜した線になる。

一方、光−光増幅素子を用いた増幅受光系としては、ＥＤＦＡやＳＯＡにより光を増幅し、増倍作用のないフォトダイオード（ＰＤ）で受光するものがある。

特開平５−３４３９２６号公報

ＡＰＤを用いた増幅受光系では、バイアス電圧を上限近傍に制御することで常に最大の感度を維持している。しかし、ＡＰＤは、高いバイアス電圧を印加すると寿命が短くなると共に信頼性が低下するという性質を持っている。従って、前述のように上限に近いバイアス電圧を印加するのは、ＡＰＤの寿命を保つ上では不利ということになる。

一方、光通信の分野においては、ＡＰＤが受光する光信号は通信データを担持した光信号であり、この通信データが正しく（通信相手が送信した通りに）受信できることが重要である。通信データが正しく受信できさえすれば、ＡＰＤの感度が最大であるか否かは問題にならない。ところが、前述のように従来のバイアス電圧制御装置は、バイアス電圧を上限近傍に制御することで常に最大の感度を維持している。つまり、光通信を行う上で十分な受光信号が得られる感度が実現されており、十分なエラーレート（データ誤り率）になっているにもかかわらずＡＰＤには必要以上の（過剰な）バイアス電圧が印加され、ＡＰＤの寿命と信頼性に悪影響がもたらされている。

光−光増幅素子と増幅作用を持たないＰＤを用いた増幅受光系の構成においても、常に最大の増幅率を維持させておくことは、十分なエラーレートが得られているときに増幅素子に必要以上の励起光が注入されることになり、増幅素子の寿命に影響する。また、増幅率を上げると励起光のための消費電力が大きくなる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光−光増幅素子や増幅作用のある受光素子の長寿命化・低消費電力化などに有利な増幅用制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、通信データを担持した光信号を増幅及び受光する増幅受光系と、受光して得られた通信データの誤り検出を行うデータ誤り検出回路と、前記データの誤り検出に基づくデータ誤り率が誤り訂正の可能な範囲内に設定された所定値を越えないときは前記増幅受光系の増幅率を下げ、前記データ誤り率が前記所定値を越えると前記増幅受光系の増幅率を上げる制御を行う制御回路とを備えたものである。

前記増幅受光系の受光素子としてＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）が用いられており、前記制御回路は前記ＡＰＤに印加するバイアス電圧を制御してもよい。

前記制御回路は、前記ＡＰＤのブレークダウン電圧及び最大電流値で規定される上限を越えない高いバイアス電圧を最初に印加し、その後、バイアス電圧を低下させてもよい。

前記増幅受光系に光−光増幅素子が用いられており、前記制御回路は前記光−光増幅素子における光源のバイアス電圧を制御してもよい。

前記制御回路は、データ誤り率が誤り訂正の可能な範囲内に設定された所定値を越えるとバイアス電圧を上昇させてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ＡＰＤの寿命を長く保つことができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る増幅用制御装置１は、通信データを担持した光信号を増幅及び受光する増幅受光系としてのＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）２と、このＡＰＤ２による受光信号を増幅して通信データを復元する増幅識別回路３と、受光して得られた通信データの誤り検出を行って誤り検出信号を出力すると共に誤りを訂正し、訂正された通信データを出力するデータ誤り検出回路４と、データ誤り検出回路４からの誤り検出信号に基づいてデータ誤り率を求めると共にそのデータ誤り率に応じてＡＰＤ２に印加するバイアス電圧を制御する制御回路５と、制御回路５からの制御信号に従ってバイアス電圧を発生しＡＰＤ２に印加する高電圧発生回路６とを備える。

データ誤り検出回路４は、従来より知られているＦＥＣプロセッサである。ＦＥＣとは、伝送データに誤り検出・訂正用のデータを加えて冗長な伝送データとすることにより誤りの検出と誤りの訂正を行う方式である。ＦＥＣプロセッサは、伝送データに誤り検出・訂正用のデータを加える処理を行ったり、冗長な伝送データの誤りを検出し、誤りを訂正する処理を行ったり、データ誤り率を計算する処理を行うことができる（この実施形態では、データ誤り率の計算は制御回路５で行っている）。

制御回路５は、ＡＰＤ２の受光信号を参照してバイアス電圧がＡＰＤ２のブレークダウン電圧及び最大電流値で規定される上限を越えないように制御する点では従来と同様であるが、最初に上限を越えない高いバイアス電圧を印加し、その後は、バイアス電圧を徐々に低下させ、データ誤り率が誤り訂正の可能な範囲内に設定された所定値より小さい間は、継続してバイアス電圧を徐々に低下させ、データ誤り率が前記所定値を越えるとバイアス電圧を上昇させるようになっている。

次に、増幅用制御装置１の動作を説明する。

本増幅用制御装置１の電源が立ち上げられたとき、或いは光入力が開始されたとき、ＡＰＤ２が受光する光入力レベルが、例えば、図２に示す点１（図中では丸数字；以下同）にあったとすると、制御回路５の制御により最初のバイアス電圧は上限を越えない高いバイアス電圧である点２となる。その後、制御回路５がバイアス電圧を徐々に下げていくので、バイアス電圧は点３となる。この時点で、ＡＰＤ２から増幅識別回路３へ出力される受光信号は点２のときより低下するが、通信データの復元に十分な程度であり、データ誤りが全く発生しないか、発生してもデータ誤り検出回路４で訂正することができる。制御回路５がさらにバイアス電圧を下げていき、点４においてデータ誤りが発生し訂正頻度が上昇したとする。この時点では、データ誤り検出回路４が誤り検出信号を出力する頻度が高くなるので、制御回路５が計算しているデータ誤り率が増加する。制御回路５は、データ誤り率が予め設定してある所定値を越えるとバイアス電圧を上昇させるよう高電圧発生回路６に制御信号を出力する。この制御によりバイアス電圧が高まり点５になると、ＡＰＤ２から増幅識別回路３へ出力される受光信号は点４のときより上昇し、再び、データ誤りが全く発生しないか、発生してもデータ誤り検出回路４で訂正できる十分に低い誤り率となる。

実用上では、点４のように通信に支障の出る事態が起きないよう余裕を見て前記所定値を設定するので、バイアス電圧は点４までは下がることなく点５の辺りを推移することになる。

光入力レベルが点１´にある場合は、最初のバイアス電圧は点２´となる。その後、制御回路５がバイアス電圧を前述のように制御することにより、バイアス電圧は点５に相当する点５´の辺りを推移することになる。

ここで、図２に破線で示した下限線２２は、各光入力レベルにおいてデータ誤り率が誤り訂正の可能な範囲の下限のバイアス電圧を表している。上限線２１と下限線２２との落差２３が従来技術の問題として指摘した過剰分のバイアス電圧を表している。本発明によれば、バイアス電圧が最初は上限線２１に近い点２、点２´であっても、バイアス電圧は次第に低くなり、下限線２２に近い点５、点５´に落ち着き、過剰分のバイアス電圧が抑制される。

バイアス電圧の制御中に光入力レベルが変動した場合も、制御回路５は前述の制御を継続する。この場合の例として、点５から光入力レベルが大きくなり点６に移行したとする。点６では光入力レベルに対して十分に高いバイアス電圧を印加している状態なので、データ誤り検出回路４で検出されるデータ誤りは少ない。従って、制御回路５は、データ誤り率が予め設定してある所定値よりも十分に小さいので、バイアス電圧を下げていく。これにより、バイアス電圧は下限線２２に近い点７に落ち着くことになる。逆に、光入力レベルが小さくなるときには、バイアス電圧が不足になるためデータ誤り検出回路４で検出されるデータ誤りが増加し、その結果、制御回路５がバイアス電圧を上げるので、点４のように通信に支障の出る事態が起きる以前にバイアス電圧が上がり、点５に落ち着くことになる。

以上の制御により、バイアス電圧は、上限線２１と下限線２２とで囲まれる範囲内に制御され、好適には下限線２２に近い値を維持することになる。よって、データ通信が正しく行われる状態を維持しながらも、ＡＰＤ２に対して過剰に高いバイアス電圧が印加されなくなるので、ＡＰＤ２の寿命を長く保つことができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図３に示されるように、本発明に係る増幅用制御装置３１は、増幅受光系に光−光増幅素子と光増倍作用を持たない受光素子が用いられており、通信データを担持した光信号を増幅する光−光増幅素子３２と、その増幅された光信号を受光するＰＤ３３と、このＰＤ３３による受光信号を増幅して通信データを復元する増幅識別回路３と、受光して得られた通信データの誤り検出を行って誤り検出信号を出力すると共に誤りを訂正し、訂正された通信データを出力するデータ誤り検出回路４と、データ誤り検出回路４からの誤り検出信号に基づいてデータ誤り率を求めると共にそのデータ誤り率に応じて光−光増幅素子３２のための増幅率を制御するバイアス電圧（例えば、ＥＤＦＡのポンプレーザバイアス）を発生する制御回路３５を備える。

この増幅用制御装置３１にあっては、制御回路３５の制御により、最初、光−光増幅素子３２に入射する励起光が光−光増幅素子３２における上限を超えない程度のバイアス電圧を励起光源に印加する。その後、制御回路３５がバイアス電圧を徐々に下げていき、データ誤り検出回路４が誤り検出信号を出力する頻度が高くなると、制御回路３５が計算しているデータ誤り率が増加する。そこで、制御回路３５は、データ誤り率が予め設定してある所定値を越えるとバイアス電圧を上昇させる。よって、図１、図２で説明した形態と同様に、データ通信が正しく行われる状態を維持しながらも、光−光増幅素子３２に対して過剰に高いエネルギの励起光が入射されなくなるので、光−光増幅素子３２の寿命を長く保つと共に、消費電力を節約することができる。

本発明の一実施形態を示す増幅用制御装置の構成図である。 ＡＰＤのバイアス制御における光入力レベル対バイアス電圧の特性図である。 本発明の一実施形態を示す増幅用制御装置の構成図である。

符号の説明

１、３１ 増幅用制御装置
２ ＡＰＤ
４ データ誤り検出回路
５、３５ 制御回路
３２ 光−光増幅素子
３３ ＰＤ

Claims (5)

1. 通信データを担持した光信号を増幅及び受光する増幅受光系と、
   受光して得られた通信データの誤り検出を行うデータ誤り検出回路と、
   前記データの誤り検出に基づくデータ誤り率が誤り訂正の可能な範囲内に設定された所定値を越えないときは前記増幅受光系の増幅率を下げ、前記データ誤り率が前記所定値を越えると前記増幅受光系の増幅率を上げる制御を行う制御回路と
   を備えたことを特徴とする光増幅用制御装置。
2. 前記増幅受光系の受光素子としてＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）が用いられており、前記制御回路は前記ＡＰＤに印加するバイアス電圧を制御することを特徴とする請求項１記載の光増幅用制御装置。
3. 前記制御回路は、前記ＡＰＤのブレークダウン電圧及び最大電流値で規定される上限を越えない高いバイアス電圧を最初に印加し、その後、バイアス電圧を低下させることを特徴とする請求項２記載の光増幅用制御装置。
4. 前記増幅受光系に光−光増幅素子が用いられており、前記制御回路は前記光−光増幅素子における光源のバイアス電圧を制御することを特徴とする請求項１記載の光増幅用制御装置。
5. 前記制御回路は、データ誤り率が誤り訂正の可能な範囲内に設定された所定値を越えるとバイアス電圧を上昇させることを特徴とする請求項２〜４いずれか記載の光増幅用制御装置。

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