JP4297365B2

JP4297365B2 - レーザ制御装置

Info

Publication number: JP4297365B2
Application number: JP2005035156A
Authority: JP
Inventors: 靖青柳
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: JP2006222807A

Description

本発明は、レーザ制御装置に関し、より詳しくは、誘導ブリュアン散乱が生じ得る光ファイバシステムにおけるレーザ制御装置に関する。

誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ：Stimulated Brillouin Scattering）は、光ファイバ伝送システムの伝搬性能に悪影響を及ぼす。従って、光ファイバ伝送システムに使用される半導体レーザでもＳＢＳの抑制は重要な技術である。ＳＢＳ抑制の手段の１つとしてディザ手法を採用することが下記の特許文献１〜４に記載されている。

特許文献１には、低周波信号ジェネレータを用いて低周波正弦波を半導体レーザの位相制御セクションの抵抗ヒータに加えるか又は半導体レーザのアクティブセクションに加えるかのいずれかによりディザすることが記載されている。また、特許文献２には、比較的低周波の低電圧のディザ信号を半導体レーザの合成反射器セクションに加えることが記載されている。特許文献３には、高周波ディザ搬送波と低周波信号を混合してなるアナログのディザ信号により半導体レーザを変調することが記載されている。さらに、文献４には、周波数変調要素源によってディザ信号を発生させてレーザバイアスに印加することが記載されている。

そのようなディザ用変調の多くは十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの周波数であり、実際に必要な振幅の５％程度を変調する必要がある。

一方、光ルータや光Ａｄｄ／Ｄｒｏｐにおいては、所定の光源から出力された信号を受信する受信器が固定されなかったり、その逆に、所定の受信器が受信する信号の光源が固定されない、という状況が生まれつつある。さらに、光源に数チャンネル程度のチャンネルをカバーできる波長可変光源や、波長変換器の検討が進められている。これらが実用化されると波長によってその信号を出力している光源を特定することが困難となり、ディザ信号の周波数を光源に応じて変えることが要求される。
特開平７−１９３５３７号公報特開平１１−１９５８４３号公報特開平１１−５０２９９６号公報特開２００２−２６８１８号公報

ディザ信号を生成する構造について、特許文献３には、高周波成分と低周波成分を混合してなるアナログのディザ信号で半導体レーザの設定電流信号を変調することが特許文献３に記載されている。

しかし、従来の方法では、高精度、高分解能の設定で任意のディザ信号を制御することが難しい。例えば、特許文献３では、ディザ信号を生成するための高周波成分と低周波成分を別々に出力する２つの周波数発生源は混合器を介して混合される構成が示されているが、任意に周波数を選択するものではない。

また、高速デジタル・アナログ・コンバータにより変調した制御電流をディザ信号として直接生成する方法も考えられるが、変調周波数が数ＭＨｚとなる場合に、滑らかな正弦波を生成するためにはハードウェアの大規模化が避けられず、また、高速性のために装置が複雑になるといった問題がある。

本発明の目的は、高精度、高分解能の設定で任意のディザ制御電流を制御することができるレーザ制御装置を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、大きさの異なる２種類の直流電圧を出力する電圧源と、ディザ変調周期を設定する制御信号を出力するカウンタと、前記カウンタからの前記制御信号に基づいて前記電圧源から入力した前記２種類の直流電圧を交流成分を含む直流電圧に変換して出力するアナログマルチプレクサと、前記アナログマルチプレクサから出力された前記直流電圧に含まれる前記交流成分の波形を整形するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタから出力された任意の周波数のディザ信号を有する直流電圧を電流に変換してレーザに駆動電流を出力する電圧電流変換回路とを有することを特徴とするレーザ制御装置である。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係るレーザ制御装置において、前記電圧源は、制御用プロセッサの電圧出力端に接続されて前記２種類の直流電圧を別々に出力する２つのデジタル・アナログ・コンバータであることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様に係るレーザ制御装置において、前記ローパスフィルタ、前記電圧電流変換回路の少なくとも一方から出力される信号の交流成分の周波数毎に生じる誤差を補正するための補正値を記憶して前記制御プロセッサに出力するメモリを有することを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１乃至第３の態様のうち１つのレーザ制御装置において、前記ローパスフィルタは、回路要素が可変である構成を有していることを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第１乃至第４の態様のうち１つのレーザ制御装置において、前記カウンタから出力される矩形波の周期を変更するためのカウントステップ数を記憶する第２のメモリをさらに有することを特徴とする。

本発明によれば、大きさの異なる２種類の直流電圧を出力する電圧源と、ディザ変調周期を設定する制御信号を出力するカウンタと、前記カウンタからの前記制御信号に基づいて前記電圧源から入力した前記２種類の直流電圧を交流成分を含む直流電圧に変換して出力するアナログマルチプレクサと、前記アナログマルチプレクサから出力された前記直流電圧に含まれる前記交流成分の波形を整形するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタから出力された任意の周波数のディザ信号を有する直流電圧を電流に変換してレーザに駆動電流を出力する電圧電流変換回路とを有しているので、電圧源から出力された２つの直流電圧の値およびカウンタの制御によって任意の周波数で且つ高精度のディザ信号を有する直流電圧を生成し、これをレーザ駆動用直流電流に変換して出力することが可能になる。また、電圧源をデジタル・アナログ・コンバータから構成する場合に高速のものでなくてもよいし、しかも高速メモリやアナログ発振器を用いていないので、安価にレーザ制御装置を構成することが可能になる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るレーザダイオード制御系を示す回路ブロック図である。

図１において、レーザダイオード（ＬＤ）にレーザ駆動信号を印加するレーザダイオード制御回路１０は、制御用プロセッサ１１、第１のデジタル・アナログ（ＤＡ）コンバータ（ＤＡＣ：Digital Analog Converter))１２、第２のＤＡコンバータ１３、カウンタ１４、高速アナログマルチプレクサ（ＭＵＸ：multiplexer）１５、可変ローパスフィルタ（ＬＰＦ：low pass filter）１６、電圧電流変換回路１７、第１及び第２のメモリ１８，１９を有している。

第１、第２のＤＡコンバータ１２，１３はそれぞれ１２ビット以上の高分解能で振幅を調整して任意の直流電圧を出力できる構成を有している。また、第１、第２のＤＡコンバータ１２，１３は、それぞれの入力端が制御用プロセッサ１１の電圧出力端に接続され、さらに、図４（ａ）、（ｂ）に示すように互いに異なる大きさの出力電圧Ｖ₁、Ｖ_２を高速アナログマルチプレクサ１５に出力する定電圧電源として機能している。その出力電圧Ｖ₁、Ｖ_２の大きさは、制御用プロセッサ１１によって制御される。

カウンタ１４は、設定可能な最大周期をカウントの最大値とし、第１のメモリ１８からのカウントステップ数ΔＮ（ΔＮは正の整数）に応じてカウントし、例えば図５に示すような矩形波を高速アナログマルチプレクサ１５に出力する構成となっている。カウンタ１４は、例えば光伝送システムの他の機能に使用されているＦＰＧＡ（filed programmable gate array）の一部の機能を利用して構成すれば、レーザダイオード制御回路１０内の部品点数を減らすことができる。また、第１のメモリ１８として、例えばデュアルポートＲＡＭ（random access memory）が使用される。

ここで、カウンタ１４のカウント最大値をＮ、カウント周期をＴc とすると、カウンタ１４から出力される矩形波の高（Ｈ）レベルと低（Ｌ）レベルを繰り返す周期Ｔは次式（１）で求められる。
（数１）
Ｔ＝ＮＴc ／ΔＮ（１）

高速アナログマルチプレクサ１５は、カウンタ１４のカウント周期で動作可能であり、第１、第２のＤＡコンバータ１２，１３のそれぞれの出力電圧を切り換えて又は重畳して多重化することにより、波高値が電位差Ｖ₁−Ｖ_２の矩形波交流成分を含む直流電圧を出力する構成となっている。その矩形波交流成分の周波数は、例えば数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度であり、レーザダイオード１の出力端に光ファイバ３を介して接続される外部変調器２の変調周波数（例えば、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚ）に比べて極めて低くなっている。その外部変調器２は、レーザダイオード１から出力されるＣＷ（continuous wave）光を変調するものである。

可変ローパスフィルタ１６は、高速アナログマルチプレクサ１５の出力をフィルタ次数や、可変フィルタ回路要素、例えばディジタル式可変抵抗を制御用プロセッサ１１によって制御することにより、所定の周波数特性を構成し、矩形波を三角波、正弦（サイン）波等の所望の波形に変換する構成を有している。

可変ローパスフィルタ１６は、例えば、図２に示すように、高速アナログマルチプレクサ１５の出力端に接続される可変抵抗１６ａと、この可変抵抗１６ａと接地点ＧＮＤの間に接続されるキャパシタ１６ｂと、キャパシタ１６ａと電圧電流変換回路１７の間に接続されるオペアンプ１６ｃとから構成され、可変抵抗１６ａの抵抗値は制御用プロセッサ１１から出力される通過帯域制御信号により変化され得る。

ところで、高速アナログマルチプレクサ１５から出力される矩形パルスは、図３（ａ）に示すように、高調波が含まれているので、可変ローパスフィルタ１６を図３（ｂ）の特性線Ｉに示すような周波数帯域の広い１次ローパスフィルタから構成するだけでは、可変ローパスフィルタ１６から出力される波形は三角波（ノコギリ波）的になる。従って、サイン波を出力させる場合には、図３（ｂ）の特性線IIに示すような周波数特性の２次ローパスフィルタを設けてカットオフ周波数制御することにより２倍波以上の通過を阻止することで純粋な正弦波に近い電圧をを可変ローパスフィルタ１６から出力させることができる。なお、２次ローパスフィルタを設けることにより可変ローパスフィルタ１６から出力される正弦波の振幅も小さくなることもあるが、この場合には、ＤＡコンバータ１２，１３の出力を調整して変調度を維持する。

電圧電流変換回路１７は、可変ローパスフィルタ１６から電圧レベルで出力される制御電圧信号波をレーザダイオード駆動用の制御電流信号に変換してレーザダイオード１に出力するように構成されている。

第２のメモリ１９は、高速アナログマルチプレクサ１５によって与えられる交流波成分の周波数と可変ローパスフィルタ１６の波形整形条件の違いに応じて第１、第２のＤＡコンバータ１２，１３の出力電圧の振幅を補正する補正値を記憶するものである。これは、可変ローパスフィルタ１６や電圧電流変換回路１７の出力信号に含まれる交流波成分の振幅が高速アナログマルチプレクサ１５から出力される交流波成分の周波数や可変ローパスフィルタ１６の波形整形条件の違いにより変化する可能性があるので、その振幅の減衰を補正する必要があるからである。

即ち、第２のメモリ１９は、電圧電流変換誤差を補正するための補正値を記憶するものである。例えば、可変ローバスフィルタ１６の出力の交流波成分の振幅が所定値よりも減衰する場合には、第１のＤＡコンバータ１２と第２のＤＡコンバータ１３のそれぞれの出力電圧の値とそれらの電圧値の差を調整する。可変ローパスフィルタ１６又は電圧電流変換回路１７の出力信号の交流成分の周波数と第１及び第２のＤＡコンバータ１２，１３の電圧値との関係は、カウンタ１４の出力信号の条件を含めて、予め調査されている。

上述したレーザダイオード制御回路１０において、第１、第２のＤＡコンバータ１２，１３は、制御用プロセッサ１１から入力したデジタル電圧信号をアナログ直流電圧に変換して、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、それぞれ大きさの異なるアナログの直流電圧Ｖ₁、Ｖ₂を出力する。それらの電圧Ｖ₁、Ｖ₂の値は、制御用プロセッサ１１によって制御される。

この場合、２つの電圧Ｖ₁、Ｖ₂の値は、最終的に、電圧電流変換回路１７から出力される直流電流に含まれる交流波成分の所望の振幅が得られる大きさに設定される。

それらの電圧Ｖ₁、Ｖ₂を入力した高速アナログマルチプレクサ１５は、図５に示すようなカウンタ１４からの制御信号に基づいて第１のＤＡコンバータ１２からの電圧Ｖ₁と第２のＤＡコンバータ１３からの電圧Ｖ₂を切り換えて図６に示すような矩形波交流成分を含む直流信号を生成して出力する。

カウンタ１４からの制御信号は、図５に示すように、振幅Ｖ_c、幅Ｔ／２、周期Ｔの矩形波であり、Ｖ_cは例えば３．３ボルトである。また、カウンタ１４に含まれる矩形波の周期は、第１のメモリ１８から出力されるカウントステップ数ΔＮの設定信号に基づいて制御される。その第１のメモリ１８に格納されたカウンタステップ数ΔＮのデータは、必要に応じて制御プロセッサ１１によって変更される。

可変ローパスフィルタ１６は、高速アナログマルチプレクサ１５から入力した電圧信号を例えば図７に示すように周期Ｔのサイン波に変換する。その波形は、サイン波に限られるものではなく、制御用プロセッサ１１からの通過帯域制御信号と、可変ローパスフィルタ１６のフィルタ次数により三角波などに整形される。

可変ローパスフィルタ１６から電圧電流変換回路１７に入力した電圧信号は、電圧電流変換回路１７によって図８に示すような波形の電流信号、即ち交流成分を含む直流電流に変換される。その直流電流は、レーザダイオード１を駆動するための信号であり、それに含まれる数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の交流成分はディザ信号である。従って、レーザダイオード１から出力されるＣＷ光はディザ信号によって光出力の強度に時間的な揺れを生じさせるが、同時に光出力の周波数にチャープを生じさせ、これにより光ファイバ３内で誘導ブリュアン散乱の発生が低減される。

なお、可変ローパスフィルタ１６において電圧波形を整形する場合や、電圧電流変換回路１７により電圧信号を電流信号に変換する場合に、交流成分の振幅に減衰が生じる可能性があるため、予めカウンタ１４により設定される周波数毎にその減衰量を測定して第２のメモリ１９に格納する。そして、第２のメモリ１９に記憶された周波数と減衰量のデータに基づいて、制御用プロセッサ１１が第２のメモリ１９のデータを読み出して第１、第２のＤＡコンバータ１２，１３の各出力の直流電圧値を調整して電流信号の交流成分の振幅値を補正する。

ところで、上記した説明では、高速アナログマルチプレクサ１５の出力端に接続されるローパスフィルタとして可変ローパスフィルタ１６を用いたが、高速アナログマルチプレクサ１５から出力された電圧の波形の整形条件を１つに決めることができる場合には可変でなくてもよい。

また、上記した実施形態では、電圧値の異なる２つの直流電圧を高速アナログマルチプレクサ１５に入力するために、２つのＤＡコンバータ１２，１３を使用したがこれに限られるものではない。例えば、図９に示すように、制御用プロセッサ１１の電圧出力端に１つのＤＡコンバータ１２を接続し、さらにそのＤＡコンバータ１２の出力を直接に高速アナログマルチプレクサ１５の第１の入力ポートに接続する一方、その出力を分岐して可変抵抗２０を介して高速アナログマルチプレクサ１５の第２の入力ポートに接続してもよい。これにより、高速アナログマルチプレクサ１５には、図１と同様に、値の異なる２つの定電圧Ｖ₁、Ｖ₂が入力されることが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係るダイオード制御系を示す回路ブロック図である。図２は、本発明の実施形態に係るダイオード制御回路の可変ローパスフィルタの一例を示す回路図である。図３（ａ）は、本発明の実施形態に係るダイオード制御回路の高速マルチプレクサから出力される矩形パルスのスペクトル、図３（ｂ）は、本発明の実施形態に係るダイオード制御回路の可変ローパスフィルタの周波数特性図である。図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るダイオード制御回路を構成する第１のＤＡコンバータと第２のＤＡコンバータのそれぞれの出力波形図である。図５は、本発明の実施形態に係るダイオード制御回路を構成するカウンタの出力波形図である。図６は、本発明の実施形態に係るダイオード制御回路を構成する高速アナログマルチプレクサの出力波形図である。図７は、本発明の実施形態に係るダイオード制御回路を構成するローパスフィルタの出力波形図である。図８は、本発明の実施形態に係るダイオード制御回路を構成する電圧電流変換回路の出力波形図である。図９は、本発明の実施形態に係るダイオード制御回路を構成する高速アナログマルチプレクサに電圧を入力するための電圧源の別の例を示す回路ブロック図である。

符号の説明

１：レーザダイオード
２：外部変調回路
３：光ファイバ
１０：ダイオード制御回路
１１：制御用プロセッサ
１２、１３：ＤＡコンバータ
１４：カウンタ
１５：高速アナログマルチプレクサ
１６：可変ローパスフィルタ
１７：電圧電流変換回路
１８、１９：メモリ

Claims

大きさの異なる２種類の直流電圧を出力する電圧源と、
ディザ変調周期を設定する制御信号を出力するカウンタと、
前記カウンタからの前記制御信号に基づいて前記電圧源から入力した前記２種類の直流電圧を交流成分を含む直流電圧に変換して出力するアナログマルチプレクサと、
前記アナログマルチプレクサから出力された前記直流電圧に含まれる前記交流成分の波形を整形するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタから出力された任意の周波数のディザ信号を有する直流電圧を電流に変換してレーザに駆動電流を出力する電圧電流変換回路と
を有することを特徴とするレーザ制御装置。
前記電圧源は、制御用プロセッサの電圧出力端に接続されて前記２種類の直流電圧を別々に出力する２つのデジタル・アナログ・コンバータであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ制御装置。
前記ローパスフィルタ、前記電圧電流変換回路の少なくとも一方から出力される信号の交流成分の周波数毎に生じる誤差を補正するための補正値を記憶して前記制御プロセッサに出力するメモリを有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ制御装置。
前記ローパスフィルタは、回路要素が可変である構成を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のレーザ制御装置。
前記カウンタから出力される矩形波の周期を変更するためのカウントステップ数を記憶する第２のメモリをさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載のレーザ制御装置。