JP4957306B2 - 光送信器 - Google Patents

Description

本発明は、光送信器に関するものである。

波長分割多重（ＷＤＭ）光通信システムにおいては、複数の波長チャネルを多重化することにより通信量の大容量化を図っている。光送信器には、多チャネルのうちから所望のチャネルに対応する波長の信号光を選択的に発生することが求められる。しかし、光送信器の各々から提供される信号光の波長は、光源であるレーザダイオード（以下、ＬＤ）の温度に依存する。所望のチャネルに対応する波長の信号光を確実に発生させるためには、発光時にＬＤの温度を制御する必要がある。

図９は、従来の光送信器の内部構成を示すブロック図である。同図に示す光送信器１００は、ＬＤ１０２と、ＬＤ１０２の温度を検知するサーミスタ１０４と、ペルチェ効果を利用してＬＤ１０２を冷却する電子冷却素子（ＴＥＣ：Thermo-Electric Cooler）１０６とを含むモジュール１０８を備える。このモジュール１０８は、ＴＯＳＡ（Transmitter OpticalSub-Assembly）と呼ばれる。

また、光送信器１００は、電子冷却素子１０６へ電流を供給するＴＥＣドライバ１１２と、ＬＤ１０２の目標温度を示す目標信号ＳＴ０を生成する演算処理部（ＣＰＵ）１１４及びＤ／Ａコンバータ１１６と、サーミスタ１０４からの出力信号ＳＴ１と目標信号ＳＴ０との差信号ＳＴＤを生成する増幅器１１８とを備える。ＴＥＣドライバ１１２は、増幅器１１８の出力信号ＳＴＤに対応する大きさの電流を生成し、電子冷却素子１０６へ供給する。このように構成された閉ループ回路により、ＬＤ１０２の温度が目標温度付近に保持される。

また、光送信器１００は、ＬＤ１０２へ駆動電流を供給するＬＤドライバ１１０を備える。ＬＤドライバ１１０には、光送信器１００の外部から端子１２０及び１２２を介して提供された送信信号ＴＸ及び制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅが入力される。制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅは、ＬＤ１０２の発光を禁止または許可するための信号であり、ＬＤドライバ１１０は、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅが発光禁止を示す場合には駆動電流の供給を停止する。

特許文献１には、ＬＤの温度が設定値からずれている場合に駆動電流を停止して他のチャネルへの影響を回避する技術が開示されている。また、特許文献２には、発光前にＬＤの出力を禁止しておき、ＬＤの温度が所望チャネルに対応する温度で安定した後に、発光を許可して信号光を出力する技術が開示されている。
特許第２９６２２１１号公報 特開２００３−２９８５２４号公報

ＷＤＭ光通信システムにおいては、データ伝送量をより増大させるために、隣接するチャネルの波長間隔をより狭くすることが求められている。従って、信号光の波長をより高精度に制御することが望まれる。しかしながら、図９に示した光送信器１００のように、ＬＤの発光を禁止／許可するための制御信号を光送信器が受け付ける場合、発光停止状態でＬＤの温度が目標値付近で安定していても、発光が許可され駆動電流が供給され始めるとＬＤの消費電力が急激に増加し、閉ループ回路による温度制御が作用するまでにＬＤの温度が目標値から一時的に逸脱してしまう場合がある。このような場合、信号光の波長は当該チャネルに対応する波長からずれてしまい、他のチャネルに影響を及ぼすおそれがある。なお、特許文献１や特許文献２に開示された構成においても、ＬＤの発光が許可された直後に信号光の波長がずれてしまう。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、ＬＤの発光が許可された直後におけるＬＤの温度変化を抑え、信号光の波長を安定させ得る光送信器を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による光送信器は、発光状態の禁止、許可を信号により制御することのできるレーザダイオードと、レーザダイオードの温度を検知する測温素子と、レーザダイオードの温度を制御する電子冷却素子と、レーザダイオードの目標温度とレーザダイオードの温度との差に基づき電子冷却素子に提供する電力を制御する温度制御部と、信号が禁止から許可に切り替わる際に、該信号に基づき電子冷却素子に供給する電力を増大させる波長変動抑制部とを備えることを特徴とする。

この光送信器では、信号が禁止から許可に切り替わる際に、波長変動抑制部が該信号に基づいて電子冷却素子への電力を増大させる。これにより、発光が許可され駆動電流が供給され始めた際のＬＤの温度上昇が抑えられるので、信号光の波長の変動を抑制して波長を安定させることができる。

また、光送信器は、波長変動抑制部が、上記信号を減衰させる減衰回路と、減衰回路の後段に接続された微分回路とを有することを特徴としてもよい。この構成においては、減衰回路によって信号の立ち上がり波形が鈍り、ピーク電圧を抑える。また、この鈍った波形が微分回路を通ることによって、所望の高さ（ピーク値）及び時間幅を有する信号波形が生成される。そして、この信号波形に基づいて電子冷却素子への電力を生成することにより、電子冷却素子への電力を増大させることができる。

また、光送信器は、波長変動抑制部が、目標温度を調整することにより電力を変化させることを特徴としてもよい。或いは、光送信器は、波長変動抑制部が、目標温度とレーザダイオードの温度との差を増幅することにより電力を変化させることを特徴としてもよい。この何れかの構成により、電子冷却素子への電力を増大させることができる。

本発明による光送信器によれば、ＬＤの発光が許可された直後におけるＬＤの温度変化を抑え、信号光の波長を安定させることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光送信器の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態による光送信器１Ａの内部構成を示すブロック図である。同図に示す光送信器１Ａは、ＬＤ１０、サーミスタ１２、及び電子冷却素子（ＴＥＣ）１４を含むＴＯＳＡと呼ばれるモジュール１６を備えている。サーミスタ１２は、ＬＤ１０の温度を検知し、該温度に対応する温度モニタ信号Ｓａを生成する測温素子である。電子冷却素子１４は、モジュール１６の内部においてＬＤ１０を搭載しており、ペルチェ電流Ｉｐに応じてペルチェ効果を生じ、ＬＤ１０を冷却する。また、ペルチェ電流Ｉｐの向きを逆にした場合、ＬＤ１０を加熱することができ、ＬＤ１０の温度を自由に調整することができる。なお、ペルチェ電流Ｉｐは、本実施形態における冷却信号であるし、加熱信号にもなる。

また、光送信器１Ａは、ペルチェ電流Ｉｐを電子冷却素子１４に提供する温度制御部２０を備えている。温度制御部２０は、ＴＥＣドライバ２２、演算処理部（ＣＰＵ）２４、Ｄ／Ａコンバータ２６、及び増幅器２８を有する。演算処理部２４及びＤ／Ａコンバータ２６は、ＬＤ１０の目標温度を示す目標信号Ｓｂを生成する。この目標温度は、ＷＤＭ光通信システムにおいて当該光送信器１Ａに割り当てられたチャネルに対応する温度に予め設定され、演算処理部２４に記憶されている。増幅器２８は、温度モニタ信号Ｓａを非反転入力端子に入力し、また目標信号Ｓｂを反転入力端子に入力し、温度モニタ信号Ｓａと目標信号Ｓｂとの差を示す信号Ｓｃを出力する。ＴＥＣドライバ２２は、この信号Ｓｃに対応する大きさのペルチェ電流Ｉｐを生成し、電子冷却素子１４へ供給する。

また、光送信器１Ａは、送信内容に応じて変調された送信信号ＴＸを外部から入力するための第１の入力端子４４と、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅを受ける第２の入力端子４０と、送信信号ＴＸに応じて駆動電流Ｉｄを生成し、ＬＤ１０へ供給するＬＤドライバ（レーザドライバ）１８とを備える。制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅは、ＬＤ１０の発光を禁止または許可するための信号であり、発光禁止をＨレベル、発光可をＬレベルとして伝達する。ＬＤドライバ１８は、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅが発光可を示す場合にのみ駆動電流ＩｄをＬＤ１０に供給し、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅが発光禁止を示す場合には駆動電流Ｉｄの供給を停止する。

また、光送信器１Ａは、波長変動抑制部３０Ａを備えている。波長変動抑制部３０Ａは、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅの状態が禁止から許可に切り替わる際に、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅを基にペルチェ電流Ｉｐを変化させて電子冷却素子１４の冷却力を増大させる。波長変動抑制部３０Ａは、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅの波形を減衰させるアッテネータ３２といった減衰回路と、アッテネータ３２の後段に接続された微分回路３４とを有する。また、波長変動抑制部３０Ａは、第２の入力端子４０とアッテネータ３２との間に接続されたインバータ回路３６を有する。

ここで、図２は、本実施形態の波長変動抑制部３０Ａの具体的構成を示す図である。同図を参照すると、アッテネータ３２は、抵抗器３２ａ及び３２ｂを含む。抵抗器３２ａは、一端がインバータ回路３６に接続され、他端が微分回路３４に接続されている。抵抗器３２ｂは、抵抗器３２ａの他端と接地電位との間に接続されている。また、微分回路３４は、抵抗器３４ａ及びコンデンサ３４ｂを含む。抵抗器３４ａは、一端がＤ／Ａコンバータ２６に接続され、他端が増幅器２８の非反転入力端子に接続されている。コンデンサ３４ｂは、抵抗器３４ａの他端とアッテネータ３２の出力端との間に接続されている。このような構成によって、波長変動抑制部３０Ａは、目標信号Ｓｂを変化させることによりペルチェ電流Ｉｐを変化させる。

次に、従来の光送信器が抱える課題、及び本実施形態の光送信器１Ａが有する作用効果について説明する。図３は、図９に示した従来の光送信器における、（ａ）制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅ、（ｂ）ＬＤ発光強度、（ｃ）ＬＤ温度、及び（ｄ）発光波長の時間変化を表している。図中のタイミングＡにおいて、図３（ａ）に示すように制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅの発光禁止状態が解除されてＨレベルからＬレベルへ立ち下がると、図３（ｂ）に示すようにＬＤが信号光を出力し始め、ＬＤ発光強度が立ち上がる。なお、実際のＬＤ発光強度は送信信号に応じて変調されているが、図３（ｂ）では理解を容易にするため出力開始後の発光強度を一定値Ｐ_０として図示している。

この瞬間に、ＬＤの消費電力が急激に増加する。そして、この瞬間まで目標温度Ｔ_０で安定していたＬＤ温度が、消費電力の増加によって一時的に上昇する。この後、この温度上昇をサーミスタが検知し、ＬＤ温度が目標温度Ｔ_０に近づくようにＴＥＣドライバがペルチェ電流の大きさを変化させる。しかし、ＬＤ温度が上昇してから実際にペルチェ電流が変化してＬＤ温度が低下するまでには遅れが存在する。従って、図３（ｃ）に示すように、タイミングＡ直後にＬＤ温度が或る期間Ｂにわたって上昇してしまう。その結果、図３（ｄ）に示すように、ＬＤの発光波長が既定値λ_０からλ_１へリンギングのように変動してしまう。

図４は、本実施形態の光送信器１Ａにおける、（ａ）制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅ、（ｂ）ＬＤ発光強度、（ｃ）アッテネータ３２の出力電圧、（ｄ）微分回路３４の出力電圧、（ｅ）ペルチェ電流Ｉｐ、（ｆ）ＬＤ温度、及び（ｇ）発光波長の時間変化を表している。図中のタイミングＡにおいて、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅの発光禁止状態が解除されてＨレベルからＬレベルへ立ち下がると（図４（ａ））、ＬＤ１０が信号光を出力し始め、ＬＤ発光強度が立ち上がる（図４（ｂ））。

このとき、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅは、インバータ回路３６を介して波長変動抑制部３０Ａのアッテネータ３２にも入力される。アッテネータ３２は、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅの反転波形を減衰して、図４（ｃ）に示すように鈍った立ち上がり波形を出力する。この信号波形は微分回路３４に入力され、図４（ｄ）に示すように或るピーク電圧Ｖｐを有し期間Ｂに亘って変化する信号波形Ｄが微分回路３４から出力される。なお、ピーク電圧Ｖｐの大きさ及び期間Ｂの長さは、アッテネータ３２の分圧比や微分回路３４の時定数などによって決定される。そして、この信号波形Ｄは目標信号Ｓｂに加えられて増幅器２８の非反転入力端子へ入力される。従って、信号波形Ｄに相当する波形が増幅器２８の出力信号Ｓｃに含まれ、その結果、ＴＥＣドライバ２２から出力されるペルチェ電流Ｉｐ（図４（ｅ））に信号波形Ｄが含まれることとなる。

こうして、ペルチェ電流ＩｐはタイミングＡの直後に一時的に増加するので、このペルチェ電流Ｉｐの増加に対応してＬＤ１０に対する電子冷却素子１４の冷却力が増大する。これにより、タイミングＡ直後におけるＬＤ１０の消費電力の増加に起因するＬＤ１０の温度上昇が抑えられ、図４（ｆ）に示すように、ＬＤ１０の温度は目標温度Ｔ_０付近で安定して推移する。そして、ＬＤ１０の発光波長は既定値λ_０に維持される。

以上のように、本実施形態による光送信器１Ａにおいては、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅの状態が禁止から許可に切り替わる際に、波長変動抑制部３０Ａが制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅに基づいて電子冷却素子１４の冷却力を一時的に増大させる。これにより、発光が許可され駆動電流Ｉｄが供給され始めた際のＬＤ１０の温度上昇が抑えられるので、信号光の波長の変動を抑制して波長を安定させることができる。

また、本実施形態のように、波長変動抑制部３０Ａは、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅの波形を減衰させる減衰回路（アッテネータ３２）と、アッテネータ３２の後段に接続された微分回路３４とを有することが好ましい。これにより、所望の高さ（ピーク値）及び時間幅を有する信号波形を簡易な回路構成によって生成でき、この信号波形をペルチェ電流Ｉｐに含ませることにより、ペルチェ電流Ｉｐの大きさを好適に変化させて電子冷却素子１４の冷却力を増大させることができる。また、この場合、第２の入力端子４０とアッテネータ３２との間にインバータ回路３６が設けられることによって、アッテネータ３２に入力される制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅの論理を好適に変換できる。

ここで、本実施形態による光送信器１Ａの作用効果を、具体的な例に基づいて説明する。図５は、従来の光送信器における発光波長の時間変化を示すグラフであり、図６は、本実施形態の光送信器１Ａにおける発光波長の時間変化を示すグラフである。例えば、駆動電流が５０ｍＡ、ＬＤ両端電圧が１Ｖである場合、ＬＤの消費電力は５０ｍＷとなる。或る条件下において、従来の光送信器における発光波長は、制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅが発光禁止から発光可へ切り替わった直後、図５に示すように約５５ｐｍ変動する。例えば１００ＧＨｚグリッド（約８００ｐｍ間隔）のＤＷＤＭ（Dense WDM）光通信システムにおいては、送信光用のバンドパスフィルタの波長範囲は６０〜７０ＧＨｚ（約４８０〜６００ｐｍ間隔）と更に狭くなっており、また、発光波長のずれを検知する波長アラーム機能が光送信器に備わっている場合、警告対象となる波長間隔はグリッド長さの約１０％に規定される。従って、変動幅約５５ｐｍは十分にアラームの対象となり得る。

これに対し、例えばインバータ回路３６の出力電圧をＣＭＯＳレベル（０Ｖ−３．３Ｖ）とし、アッテネータ３２の抵抗器３２ａに３３ｋΩ、抵抗器３２ｂに１００Ωを設定すると、アッテネータ３２の出力電圧は０Ｖ−１０ｍＶとなる。そして、微分回路３４の抵抗器３４ａに５０ｋΩ、コンデンサ３４ｂに４．７μＦを設定すると、図５に示した変動波形と同様の信号波形が生成され、目標信号Ｓｂ（または差信号Ｓｃ）に加えられる。これにより、ペルチェ電流Ｉｐが増し、電子冷却素子１４の冷却力が一時的に増大してＬＤ１０の消費電力の増加分を相殺するので、図６に示すように発光波長の変動を効果的に抑えることができる。

（第１の変形例）
図７は、上記実施形態の第１変形例として、光送信器１Ｂの内部構成を示すブロック図である。同図に示す光送信器１Ｂと上記実施形態の光送信器１Ａとの相違点は、波長変動抑制部３０Ａの信号出力先である。本変形例では、上記実施形態のように目標信号Ｓｂを変化させることによりペルチェ電流Ｉｐを変化させるのではなく、目標信号Ｓｂと温度モニタ信号Ｓａとの差に相当する信号Ｓｃを変化させることによって、ペルチェ電流Ｉｐを変化させる。具体的には、図７に示すように、波長変動抑制部３０Ａの微分回路３４の出力端が増幅器２８の出力端とＴＥＣドライバ２２の入力端との間に接続されており、増幅器２８の出力信号Ｓｃに対して微分回路３４の出力信号が加えられる。本変形例の構成により、ペルチェ電流Ｉｐを好適に変化させて電子冷却素子１４の冷却力を増大させることができる。

（第２の変形例）
図８は、上記実施形態の第２変形例として、波長変動抑制部３０Ｂの内部構成を示すブロック図である。同図に示す波長変動抑制部３０Ｂは、第２の入力端子４２から制御信号ＴＸ＿Ｅｎａｂｌｅを入力する。制御信号ＴＸ＿Ｅｎａｂｌｅは、ＬＤ１０の発光を禁止または許可するための信号であり、発光禁止をＬレベル、発光可をＨレベルとして伝達する。波長変動抑制部３０Ｂは、第２の入力端子４２とアッテネータ３２との間にバッファ回路３８を有しており、制御信号ＴＸ＿Ｅｎａｂｌｅは、論理が反転されることなくアッテネータ３２へ入力される。本変形例のように、発光禁止から発光可へ変化する際に制御信号が立ち上がる場合には、バッファ回路３８を介して制御信号をアッテネータ３２へ入力するとよい。すなわち、上記実施形態のインバータ回路３６及び本変形例のバッファ回路３８は、外部から入力される制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅ（またはＴＸ＿Ｅｎａｂｌｅ）の論理に応じて何れかが適宜設けられるとよい。

本発明による光送信器は、上記した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び変形例では、波長変動抑制部の出力を増幅器の非反転入力または出力に加えることによって冷却信号（ペルチェ電流）を変化させているが、増幅器の反転入力に加えても良い。この場合、反転入力への信号（温度モニタ信号）を低温側へ変化させることにより、冷却信号を変化させるとよい。また、波長変動抑制部は、制御信号の立ち上がりに応じて冷却信号（ペルチェ電流）を増幅する等、上記実施形態以外の様々な構成によって実現されることができる。また、環境温度がＬＤ１０の設定温度より低い場合、ペルチェ電流Ｉｐの向きを逆にすることで、ＬＤ１０を加熱し、設定温度と同じ状態になる。この時の波長変動抑制部からの出力信号は、電子冷却素子１４の加熱力を減少させる方向に働き、ＬＤ１０の消費電力の増加分を同様に相殺するので、発光波長の変動を抑える。

図１は、光送信器の一実施形態の内部構成を示すブロック図である。 図２は、波長変動抑制部の具体的構成を示す図である。 図３は、従来の光送信器における、（ａ）制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅ、（ｂ）ＬＤ発光強度、（ｃ）ＬＤ温度、及び（ｄ）発光波長の時間変化を表している。 図４は、一実施形態の光送信器における、（ａ）制御信号ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅ、（ｂ）ＬＤ発光強度、（ｃ）アッテネータの出力電圧、（ｄ）微分回路の出力電圧、（ｅ）ペルチェ電流Ｉｐ、（ｆ）ＬＤ温度、及び（ｇ）発光波長の時間変化を表している。 図５は、従来の光送信器における発光波長の時間変化を示すグラフである。 図６は、一実施形態の光送信器における発光波長の時間変化を示すグラフである。 図７は、光送信器の第１変形例の内部構成を示すブロック図である。 図８は、波長変動抑制部の第２変形例の内部構成を示すブロック図である。 図９は、従来の光送信器の内部構成を示すブロック図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…光送信器、１２…サーミスタ、１４…電子冷却素子、１６…モジュール、１８…ＬＤドライバ、２０…温度制御部、２２…ＴＥＣドライバ、２４…演算処理部、２６…Ｄ／Ａコンバータ、２８…増幅器、３０Ａ，３０Ｂ…波長変動抑制部、３２…アッテネータ、３４…微分回路、３６…インバータ回路、３８…バッファ回路、４０，４２，４４…入力端子、Ｉｄ…駆動電流、Ｉｐ…ペルチェ電流、Ｓａ…温度モニタ信号、Ｓｂ…目標信号、Ｓｃ…差信号、ＴＸ…送信信号、ＴＸ＿Ｄｉｓａｂｌｅ，ＴＸ＿Ｅｎａｂｌｅ…制御信号。

Claims (4)

1. 発光状態の禁止、許可を信号により制御することのできるレーザダイオードと、
   前記レーザダイオードの温度を検知する測温素子と、
   前記レーザダイオードの温度を制御する電子冷却素子と、
   前記レーザダイオードの目標温度と前記レーザダイオードの温度との差に基づき前記電子冷却素子に提供する電力を制御する温度制御部と、
   前記信号が禁止から許可に切り替わる際に、該信号に基づき前記電子冷却素子に供給する電力を増大させる波長変動抑制部と
   を備えることを特徴とする、光送信器。
2. 前記波長変動抑制部が、
   前記信号を減衰させる減衰回路と、
   前記減衰回路の後段に接続された微分回路と
   を有することを特徴とする、請求項１に記載の光送信器。
3. 前記波長変動抑制部が、前記目標温度を調整することにより前記電力を変化させることを特徴とする、請求項１または２に記載の光送信器。
4. 前記波長変動抑制部が、前記目標温度と前記レーザダイオードの温度との差を増幅することにより前記電力を変化させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光送信器。

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