JP5029276B2 - 光送信装置及びそれに用いる温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は光送信装置及びそれに用いる温度制御方法に関し、特に光送信装置における温度制御方法に関する。

近年の光送信技術の進展に伴い、各種の小型光送信装置が開発されている。これら小型光送信装置では、高速化と長距離対応化とが大きな技術革新の方向であり、これまで、例えば、１０Ｇｂｐｓのビットレートにて８０ｋｍ程度のシングルモードファイバ伝送が可能な小型光送信装置が存在する。但し、ビットレート上昇に伴い、通常のＮＲＺ（Ｎｏｎ Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）変調方式ではすでに波長分散限界に到達している。

一方で、この波長分散限界を超えるような、各種変調方式が開発されているが、例えば、Ｄｕｏ ｂｉｎａｒｙ変調方式は光送信装置のサイズや消費電力、さらにはコストの面で課題がある。ＣＭＬ（Ｃｈｉｒｐ Ｍａｎａｇｅｄ Ｌａｓｅｒ）変調方式は、これらの点で有効な面が見られるが、さらなるサイズ低減、コスト低減が必要である。このＣＭＬ変調方式は、信号変調時の周波数揺らぎを制御して伝送特性を向上させる技術である。

このＣＭＬ変調方式でサイズ低減、コスト低減を可能にする技術として、光導波路基板と半導体レーザとをハイブリッド実装した構造が本願出願人から提案されている。但し、この構成では、ハイブリッド集積を実現したことによって、半導体レーザと波長フィルタの波長を独立に制御することができなくなってしまったため、近年の光伝送システムで主流となっているＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）システムに対応することができない。

尚、光送信器に関する従来技術としては、以下の特許文献１に記載の技術がある。
特開２００６−３１３３０９号公報

上述したＣＭＬに関する従来の光送信装置では、光フィルタと半導体レーザとを別々に温度調整する構成とし、フィルタ透過特性の監視ポートを含めた全体の光学系の構成要素が多いため、装置が大型化してしまうという課題がある。

また、もう一方のＣＭＬに関する従来の光送信装置では、光フィルタと半導体レーザとの独立した温度制御ができないため、集積化を実現した場合について、ＷＤＭシステムに対応した特定波長への安定化を実現することができないという課題がある。

そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、所定の光変調条件（周波数帯域条件）に安定化させながら、所望の発振波長に制御することができる光送信装置及びそれに用いる温度制御方法を提供することにある。

本発明による光送信装置は、光フィルタと、光フィルタ透過光の監視ポートと、光フィルタ非透過光の監視ポートとを含む光送信装置であって、
前記光フィルタ及び前記フィルタ透過特性の監視ポートを含む光導波路を形成した光導波路基板と、半導体レーザと、前記光フィルタ透過光の監視ポートに設けられた波長モニタＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）と、前記光フィルタ非透過光の監視ポートに設けられたパワーモニタＰＤと、前記光導波路及び半導体レーザのうちのいずれかの波長特性を独立に調整可能にするヒータと、前記光導波路基板と半導体レーザとを一括で温度調整する温度制御素子とを含み、
前記波長モニタＰＤ及び前記パワーモニタＰＤ各々の出力を用いて前記ヒータに対する投入電力を制御している。

本発明による温度制御方法は、光フィルタと、光フィルタ透過光の監視ポートと、光フィルタ非透過光の監視ポートとを含む光送信装置に用いる温度制御方法であって、
前記光フィルタ及び前記フィルタ透過特性の監視ポートを含む光導波路を形成した光導波路基板と半導体レーザとを一括で温度調整可能な形で集積し、前記光導波路及び半導体レーザのうちのいずれかにヒータを付加して前記光導波路及び半導体レーザのうちのいずれかの波長特性を独立に調整可能とし、
温度制御素子にて前記光導波路基板と半導体レーザとを一括で温度調整し、
前記光フィルタ透過光の監視ポートに波長モニタＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を設置し、
前記光フィルタ非透過光の監視ポートにパワーモニタＰＤを設置し、
前記波長モニタＰＤ及び前記パワーモニタＰＤ各々の出力を用いて前記ヒータに対する投入電力を制御している。

本発明は、上記のような構成及び動作とすることで、所定の光変調条件（周波数帯域条件）に安定化させながら、所望の発振波長に制御することができるという効果が得られる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態による光送信装置の全体構成を示すブロック図である。図１において、光送信装置１００は半導体レーザ１と、光導波路基板２と、温度監視素子３と、温度制御素子４と、光フィルタ５と、ヒータ６と、パワーモニタＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）９と、波長モニタＰＤ１０とから構成されている。光導波路基板２には光導波路１２が形成され、光導波路１２はフィルタ非通過ポート７と、フィルタ通過ポート８と、光出力ポート１１とからなる。

半導体レーザ１は適切な条件でバイアス電流に対して変調を行うことで、出力周波数が変調される。半導体レーザ１は、変調された光信号が光導波路基板２上の光導波路１２と結合するように光導波路基板２上に実装される。光信号は光フィルタ５を通過することで、適切な周波数成分に制限され、これが主信号となって光出力ポート１１から出力される。

ここで示すような周波数成分の制限を行うことで、例えば、１０Ｇｂｐｓの変調速度において、１５５０ｎｍの波長帯を通常のシングルモードファイバにて１００ｋｍ以上の長距離伝送を実現することができる。通常はこの光出力ポート１１の先に光アイソレータを導入するとともに、レンズ等を用いて光ファイバに結合する（以上、図示せず）。

光導波路１２の光信号の一部はフィルタ非透過ポート７に出力され、その強度はパワーモニタＰＤ９で受信する。またさらに、光導波路１２の光信号の一部は光フィルタ５を通過した後、フィルタ透過ポート８に出力され、その強度は波長モニタＰＤ１０で受信する。ここで、Δλを半導体レーザ１の発振波長λＬＤと光フィルタ５の中心波長λＦｉｌｔｅｒとの差と定義する。パワーモニタＰＤ９はΔλに依存しない信号を受信し、波長モニタＰＤ１０はΔλに依存して変化する信号を受信する。後述するように、これらのモニタ信号を用いてΔλを一定に制御し、安定した光変調特性を得ることができる。

光導波路基板２は温度監視素子３にて温度を監視することができる。また、光導波路基板２の全体は温度制御素子４の上に搭載され、温度制御素子４にて基板全体の温度制御を行うことができる。さらに、ヒータ６の温度を制御することで、光フィルタ５の中心波長λＦｉｌｔｅｒを調整することができる。

図２は本発明の第１の実施例による光送信装置の制御ブロックを示すブロック図であり、図３及び図４は本発明の第１の実施例における変調信号の概要を示す図である。これら図２〜図４を参照して本発明の第１の実施例による光送信装置１００の動作について説明する。

上述したように、変調信号は半導体レーザ１に与えられ、変調信号は長距離光伝送に対応するように光フィルタ５にて周波数帯域を制限され、光出力ポート１１から出力される。ここでは、半導体レーザ１及び光フィルタ５の波長制御に関する動作について説明する。

まず、半導体レーザ１のバイアス電流はパワーモニタＰＤ９の値が一定となるようにフィードバック制御する（光パワー一定制御２２）。光導波路基板２は温度監視素子３の温度が所定の温度になるように、温度制御素子４にフィードバックし、温度一定制御を行う（フィルタ温度初期設定２３）。

ヒータ６に対しては、所定の電力にて一定になるように制御する（電力一定制御２１）。このヒータ６は局所的な温度制御を行うため、適切な温度監視が困難であることから、投入電力を一定にする制御を行うことが望ましい。

この状態で基本的に安定な制御が可能であるが、本発明の第１の実施例による光送信装置１００では、先に定義したΔλを極めて高い精度で安定化する必要があるため、環境温度が変化した際や、長期動作後等の状態でわずかなΔλのずれを検出し、フィードバックする制御が必要になる。これを満足するために、パワーモニタＰＤ９の出力と波長モニタＰＤ１０の出力とを用いて、両者の比が一定となるように温度制御素子４にフィードバックし（Δλ一定制御２４）、光導波路基板２の温度を制御するように切替える。

所定の出力波長に制御する必要がないシステムの場合には、Δλだけが安定制御されればよく、半導体レーザ１の発振波長λＬＤを所定の値になるような制御は不要であるので、ヒータ６への電力一定制御は不要である。この様子を図３に示す。半導体レーザ１の発振波長λＬＤは光フィルタ５の中心波長λＦｉｌｔｅｒに依存して変化する。

半導体レーザ１の発振波長λＬＤを所定に値にする必要があるＷＤＭシステムの場合には、半導体レーザ１の発振波長λＬＤを特定の波長グリッドにあわせる必要があるので、予め光フィルタ５の中心波長λＦｉｌｔｅｒを調整し、さらにその値に一定制御する必要がある。このために、本実施例では光導波路基板２の光フィルタ５上の局所温度を制御するヒータ６の安定制御を実施する。これによって、図４に示すように、半導体レーザ１の発振波長λＬＤが所定の光出力条件に安定制御された状態で、所定のグリッド波長に安定化される。

このように、本実施例では、半導体レーザ１を搭載した光導波路基板２全体を一括で温度制御するとともに、光導波路１２の光フィルタ５部分の局所的な温度制御を独立に実施しているため、半導体レーザ１、光フィルタ５を集積化し、所定の光変調条件（周波数帯域条件）に安定化しながら、所望の発振波長に制御することができる。

また、本実施例では、半導体レーザ１、光フィルタ５を集積化することで、構成部品要素が減少するとともに、全体を一括で温度制御することが可能になるため、光送信装置１００を小型化することができる。

図５は本発明の第２の実施の形態による光送信装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施の形態は、光導波路基板２の光フィルタ５部分にヒータ６を形成する代わりに、半導体レーザ１上にヒータ６を形成している以外は図１に示す本発明の第１の実施の形態と同様の構成となっており、同一構成要素には同一符号を付してある。また、同一構成要素の動作は本発明の第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態では、本発明の第１の実施の形態と同様に、半導体レーザ１を搭載した光導波路基板２全体を一括で温度制御するとともに、半導体レーザ１部分の局所的な温度制御を独立に実施しているので、半導体レーザ１、光フィルタ５を集積化し、所定の光変調条件（周波数帯域条件）に安定化しながら、所望の発振波長に制御することができる。

図６は本発明の第３の実施の形態による光送信装置の制御ブロックを示すブロック図である。本発明の第３の実施の形態は、制御ブロック３１〜３４が上述した本発明の第１の実施の形態と異なる以外は、本発明の第１の実施の形態による光送信装置１００と同様の構成となっている。この図６を参照して本発明の第３の実施の形態による光送信装置１００の動作について説明する。

上述したように、変調信号は半導体レーザ１に与えられ、変調信号は長距離光伝送に対応するように光フィルタ５にて周波数帯域を制限され、光出力ポート１１から出力される。ここでは、半導体レーザ１及び光フィルタ５の波長制御に関する動作について説明する。

まず、半導体レーザ１のバイアス電流はパワーモニタＰＤ９の値が一定となるようにフィードバック制御する（光パワー一定制御３２）。光導波路基板２は温度監視素子３の温度が所定の温度になるように、温度制御素子４にフィードバックし、温度一定制御を行うフィルタ温度初期設定のために、温度監視素子３を用いて温度制御素子４に対して温度一定制御を行う（温度一定制御３３）。

ヒータ６に対しては、所定の電力にて一定になるように制御する（フィルタ波長初期設定３１）。また、本実施例では、半導体レーザ１と光フィルタ５との波長差Δλを一定にするため、パワーモニタＰＤ９の出力と波長モニタＰＤ１０の出力とを用いてヒータ６への投入電力を制御する（温度監視素子３を用いた温度制御から切替）（Δλ一定制御３４）。

さらに、本実施の形態では、ＷＤＭグリッドにあわせる等、適切な出力波長とするために温度制御素子４の温度監視を行う温度監視素子３の設定温度を調整する（引き続き、温度監視素子３を用いた温度一定制御）。

このように、本実施の形態では、半導体レーザ１を搭載した光導波路基板２全体を一括で温度制御するとともに、光導波路１２の光フィルタ５部分の局所的な温度制御、あるいは半導体レーザ１部分の局所的な温度制御を独立に実施しているため、半導体レーザ１、光フィルタ５を集積化し、所定の光変調条件（周波数帯域条件）に安定化しながら、所望の発振波長に制御することができる。

本発明の第４の実施の形態では、光送信装置の構成を図５に示す本発明の第２の実施の形態と同様の構成とし、温度制御を図６に示す本発明の第３の実施の形態と同様の制御としている。その結果、本発明の第４の実施の形態では、本発明の第３の実施の形態に示すような光導波路１２の光フィルタ５部分の局所的な温度制御の代わりに、半導体レーザ１部分の局所的な温度制御を実施しているので、上記と同様に、半導体レーザ１、光フィルタ５を集積化し、所定の光変調条件（周波数帯域条件）に安定化しながら、所望の発振波長に制御することができる。

図７は本発明の第１〜第４の実施の形態における制御パラメータ、制御対象、監視対象の関係を示す図である。図７に示すように、本発明では、光導波路基板２全体を温度制御素子４で制御し、光導波路１２の光フィルタ５部分、あるいは半導体レーザ１部分を局所的にヒータ６で制御している。したがって、本発明では、半導体レーザ１、光フィルタ５を集積化し、所定の光変調条件（周波数帯域条件）に安定化しながら、所望の発振波長に制御することができる。

すなわち、本発明の第１〜第４の実施の形態において、光送信装置１００は、光フィルタ５、光フィルタ透過光の監視ポート（フィルタ通過ポート８）、光フィルタ非透過光の監視ポート（フィルタ非通過ポート７）、これらを形成した光導波路基板２、それぞれの監視ポートに設置するモニタＰＤ（パワーモニタＰＤ９、波長モニタＰＤ１０）、半導体レーザ１、温度監視素子３、光フィルタ５または半導体レーザ１上に形成したヒータ６、温度調整素子（温度制御素子４）を備えている。

光送信装置１００では、光フィルタ５及びフィルタ透過特性の監視ポートを含む光導波路を形成した基板（光導波路基板２）と半導体レーザ１とを一括で温度調整可能な形で集積し、さらに光導波路あるいは半導体レーザ１の波長特性を独立に調整可能にするヒータ６を付加した構造とすることで、特定の光出力波長への安定化と光フィルタリングによる半導体レーザ変調スペクトルの周波数帯域制限とが実施可能となり、ＷＤＭシステムに対応した、高ビットレートでの長距離光ファイバ伝送を可能とする。

尚、本発明の光送信装置では、半導体レーザ１上に形成したヒータ６を備えず、光フィルタ５の特性波長調整手段となる光導波路基板２上に形成したヒータ６を備える構造としてもよい。

本発明に関連する変調方式をＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：高密度波長分割多重）システムに適用するには、光送信装置の立ち上げ時に隣接波長チャンネルへの影響を抑制できるような光出力／光波長特性が必要となる。具体的には、立ち上げ時に規定値よりも大きな光出力が発生を抑制したり、規定と異なる波長での光出力の発生を抑制したりする必要がある。

しかしながら、上記のような本発明に関連する光送信装置では、基本的に光送信装置の光源となる半導体レーザが注入電流の増加に対して光出力波長が長波長化する特性を持ち、半導体レーザの起動開始時に電流をゼロから規定の光出力が得られるように増加させる時に、光出力の増加とともに、光出力波長変動が発生するため、ＤＷＤＭシステムに用いられる光送信装置において、起動時に光出力波長の変動があり、規定の光波長以外で光出力を低減させることが困難となり、隣接する光波長チャンネルに悪影響を及ぼす可能性が高いという問題がある。

また、本発明に関連する光送信装置では、上記の問題を解決するために、可変光アッテネータ等を光送信装置の光出力部分に搭載する方法があるが、光出力の過剰な損失が発生するとともに、装置の大型化や制御の複雑化が発生するという問題がある。

この原因は、現在一般的な光送信装置に用いられているような小型光モジュールのパッケージ内に搭載できるような可変アッテネータの実現は容易ではなく、大型化が発生してしまうか、搭載できたとしても、光出力強度の安定制御のためには、アッテネータ出力の光出力強度を監視し制御する部品や制御機能が新たに必要になるからである。また、光アッテネータ自体の挿入損失とともに、上記の光出力監視系での光損失の発生も避けられない。

さらに、本発明に関連する光送信装置では、例えば１０ギガビット／秒という伝送速度では、８０ｋｍ以上の一般的な光ファイバを安定に伝送させることが非常に困難であることである。この原因は、１０ギガビット／秒のように変調速度を増加させると、一般的な光送信装置から出力させる光スペクトル帯域は大きく広がり、光ファイバ中の波長分散の影響を受け、光伝送信号波形が劣化するためである。

これらの問題を解決するために、本発明は、光送信装置において、光送信装置の起動時に初期設定する光出力波長を定常時に設定する光出力波長よりも長波長側となるようにすることによって、その後、半導体レーザ出力を開始する時に、瞬間的に規定値を大きく上回る光出力が発生することなく、規定の光出力に到達し定常動作状態に入ることが可能となる。

図８は本発明の第５の実施の形態による光送信装置の全体構成を示すブロック図である。図８において、本発明の第５の実施の形態による光送信装置は、半導体レーザ１と、波長弁別ユニット１１０と、温度監視素子３と、温度制御素子４と、光フィルタ５と、光強度モニタＰＤ４１と、波長モニタＰＤ１０と、ＣＰＵ（中央処理装置）４２と、メモリ４３と、レーザドライブ回路４４と、温度制御素子ドライブ回路４５と、制御切替え回路４６と、共通モニタ／フィードバック回路４７と、キャリア４８とから構成されている。尚、図８に示す１０１は電気信号入力、１０２は光信号出力である。

半導体レーザ１はレーザドライブ回路４４によってバイアス電流、変調電流が印加される。ここで、レーザドライブ回路４４は、電気信号入力１０１に応じた信号を、ＣＰＵ４２から指定された電流振幅に変換する。また、半導体レーザ１の前方の光強度モニタＰＤ４１のフォトカレントがＣＰＵ４２で指定された値となるように、レーザドライブ回路４４から半導体レーザ１のバイアス電流が制御される。これらの動作によって、本実施の形態では、一定のバイアスで一定の変調信号が得られる。

半導体レーザ１からの光出力信号１０２は波長弁別ユニット１１０を通過し、その際、波長弁別ユニット１１０内の光フィルタ５によって光スペクトルが制限される。結果として、本実施の形態では、高い伝送速度でも変調スペクトルの広がりが抑制され、高い波長分散耐力を有し、例えば８０ｋｍ以上といった長距離の光ファイバ伝送が可能となる。

また、波長弁別ユニット１１０内の波長モニタＰＤ１０では、光強度モニタＰＤ４１のフォトカレント一定の条件下で、半導体レーザ１の光出力波長と光フィルタ５の相対波長とを監視することができるので、この光波長モニタＰＤ１０のフォトカレントが一定となるように、共通モニタ／フィードバック回路４７、温度制御素子ドライブ回路４５、及び温度制御素子４を用いて、キャリア４８の温度制御を行うことによって、光フィルタ５の相対波長を一定に制御し、安定した光出力特性が得られる。

ここで用いる半導体レーザ１は、１５５０ｎｍ波長帯のＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザとして、光フィルタ５を石英系の素材でできているものとする。一般的な状況を仮定すると、半導体レーザ１と光フィルタ５との温度特性は、それぞれ、おおよそ０．１ｎｍ／℃と０．０１ｎｍ／℃と１０倍の差があるため、キャリア４８の温度調整によって半導体レーザ１の波長を光フィルタ５の波長に対して調整するような形となる。

但し、上述した温度制御方法は、半導体レーザ１からの光出力がないと実現できないため、半導体レーザ１をＯＦＦにした立ち上げ時には、温度監視素子３の信号を用いて、温度制御素子４を制御することになる。その後、半導体レーザ１をＯＮし、光出力を得た時点で、制御切替え回路４６によって監視信号を切替え、光波長モニタＰＤ１０を用いた温度制御を実施する。これらはＣＰＵ４２の指示によって行い、温度監視素子４や波長モニタＰＤ１０の目標設定値はメモリ４３に格納しておく。

図９は図８の波長弁別ユニット１１０の具体的な構成例を示すブロック図である。図９においては、光導波路基板２２上に光導波路１２や光フィルタ５が形成されるので、光導波路基板２が上記のキャリア４８を兼ねる形となっている。

光導波路１２では、光分岐の形成が容易であるので、フィルタ非通過ポート７やフィルタ通過ポート８の形成が可能であり、上記のような半導体レーザ１の制御に必要なモニタ信号が得られるとともに、光出力ポート１１からは光フィルタ５によって帯域制限された光信号出力が得られる。

図１０及び図１１は本発明の第５の実施の形態による光送信装置の動作を示すフローチャートであり、図１２は本発明の第５の実施の形態におけるモニタ信号出力特性を示す図であり、図１３及び図１４は本発明の第５の実施の形態における光波長／光出力特性を示す図であり、図１５は本発明の第５の実施の形態における定常動作波長の設定例を示す図である。これら図８〜図１５を参照して本発明の第５の実施の形態による光送信装置の制御方法の動作について説明する。

半導体レーザ１は、定常状態において、光強度モニタＰＤ４１のフォトカレント（Ｉｍ−Ｐｏｗｅｒと定義）が一定となるように、バイアス電流が制御され、波長モニタＰＤ１０のフォトカレント（Ｉｍ−Ｌａｍｂｄａと定義）が一定となるように、半導体レーザ１を搭載するキャリア４８の温度（Ｔｌｄ）が制御される。

これらのそれぞれのフォトカレント特性と光送信装置の光出力強度の波長依存性の概要とを図１２に示す。図１２において、横軸は光出力波長であるが、これはキャリア温度に比例するので、キャリア温度ととってもよい。光出力モニタ特性は波長依存のない特性が得られ、波長モニタ特性、光出力特性は、光フィルタ５の形状に依存した特性が得られる。

本実施の形態による光送信装置では、良好な光信号特性を得るために、図１２の定常時動作波長に示したように、光出力特性で見られるピークよりも長波長側のスロープに設定することが望ましい。結局、Ｉｍ−Ｌａｍｂｄａ目標設定値で示した値となるように、キャリア温度を制御して、定常時の動作波長を得ることになる。

半導体レーザ１の出力を開始する立ち上げ動作は、図１０に示すフローチャートのような制御となる。まず、光出力をＯＦＦにしておく必要があるので、ＣＰＵ４２は、温度監視モードとして温度監視素子３の信号を用いてキャリア温度を制御するモードを選択する（図１０ステップＳ１）。その後、ＣＰＵ４２は、光出力の目標値となるＩｍ−Ｐｏｗｅｒ設定を実施する（図１０ステップＳ２）。実際の動作としては、予め設定値を入力しておいた外部のメモリ４３からＣＰＵ４２に設定値を読込ませる動作となる。

次に、ＣＰＵ４２は、Ｔｌｄの設定を行うが、ここで、Ｔｌｄを図１２の初期設定目標波長に示したような、定常時の動作点よりも長波側にとなるように設定する（図１０ステップＳ３）。その後、ＣＰＵ４２は、温度監視モードにて温度制御素子３の動作を開始し（図１０ステップＳ４，Ｓ５）、ついで光出力動作をＩｍ−Ｐｏｗｅｒ一定モードで開始する（図１０ステップＳ６）。

ここで、半導体レーザ１のバイアス電流がゼロから規定の値にまで上昇するので、光出力が増加するとともに、光出力波長の変動が生じる。但し、本実施の形態では、初期設定波長を定常時より長波側に設定しているため、光出力波長の変動時にフィルタピークを通過することがなく、フィルタのボトム付近を通過することになり、光出力がゼロレベル付近に抑制される。

そして、ＣＰＵ４２は、温度監視モードから波長監視モードへ切替えることで（図１０ステップＳ７）、フィルタボトム付近からフィルタのスロープ付近の定常時動作点に動作波長が調整され、光フィルタ５の効果によって定常動作点の光波長付近だけで光出力が増大し、規定値に達することになる。この時の光出力／光波長の変化の概要を図１３に示す。

仮に、初期設定波長を定常動作時と同様にすると、半導体レーザ１をＯＮにした後に、光波長がフィルタピークを通過することになり、図１４に示すように、定常動作時の光出力を大きく上回る光出力が発生してしまうことになる。これは光送信装置を搭載する光伝送装置の安定的な立ち上げ動作を妨げる可能性があり、この大きな光出力が発生しないような動作方法が必要となる。

光伝送システム上のアラーム発生時等、光伝送装置の光出力をＯＦＦする場合の動作については、図１１に示すフローチャートのような制御となる。まず、ＣＰＵ４２は、波長監視モードから温度監視モードへの切替えを行い（図１１ステップＳ１１）、光出力の停止を行う（図１１ステップＳ１２）。もしも、波長監視モードのまま光出力を停止してしまうと、温度制御のための監視信号が存在しない状態になり、温度制御素子４の制御ができなくなってしまう。

このように、本実施の形態では、光スペクトル帯域を制限する光フィルタ５を搭載し、規定の光波長付近だけで光出力が得られる構成としているため、ＤＷＤＭ（高密度波長分割多重）システムに用いられる光送信装置において、起動時の光出力が規定の動作波長付近だけで得られる、すなわち、規定の光波長以外で光出力を低減させることができ、隣接する光波長チャンネルへの影響を抑制することができる。

また、本実施の形態では、初期に設定する波長を定常時の動作波長よりも長波側にすることで、立ち上げ時の光出力がフィルタのボトム付近を通過することになり、ゼロレベル付近の光強度に抑制されるため、立ち上げ時の光出力特性において、瞬間的に規定値よりも大きな光出力が発生することを抑制することができる。

さらに、本実施の形態では、光フィルタ５によって変調時の光スペクトル帯域を制限し、光ファイバ中の波長分散の影響による波形劣化を抑制することができるため、高い伝送速度で長距離の光ファイバ伝送を安定に実現する光送信装置を実現することができる。

さらにまた、本実施の形態では、光出力信号の特性を安定にする光フィルタ５を、立ち上げ時の光波長／光出力特性の安定化にも作用させることができるので、追加での可変光アッテネータやその光アッテネータを制御するための光出力監視素子等の搭載が不要となるため、上記のような高い伝送能力を持ち、立ち上げ時に隣接波長チャンネルへの影響を抑制した光送信装置の小型化が可能となる。

本実施の形態では、上述した説明において、半導体レーザ１として一般的なＤＦＢレーザを仮定している。その際、変調信号が“０”から“１”に相当する場合には、波長が長波長から短波長にシフトするという断熱チャープの効果があり、このうち“０”に相当する部分の光スペクトルを切り取るように光フィルタ５の長波側のスロープの途中に半導体レーザ１の波長を設定することで、良好な光伝送波形が得られる。

半導体レーザ１を起動する際には、電流注入にしたがって、波長を長波長側にシフトすると説明しているが、すなわち、動作周波数によって、波長シフトの方向が反転するという特性がある。これは、より低域の信号を伝送しようとした場合に問題が生じる可能性があり、それを回避する一つの手段として、高速変調時にも“０”から”１“に変化する時の波長変化が短波長から長波長への方向となるレッドチャープの半導体レーザの適用が考えられる。

この場合には、短波長側の“０”を取り除くために、図１５に示すように、フィルタピークの短波長側のスロープを定常動作波長と設定することになる。このレッドチャープの半導体レーザを用いた場合、基本的には、これまで説明した本発明の第１の実施の形態と同様の効果が得られるが、一点、異なるのは、初期設定波長を定常動作波長の長波長側ではなく、定常動作波長と同一か、あるいは、定常動作波長の短波長側に設定することになる。これによって、光送信装置の立ち上げ時において、適切な光出力／光波長特性を得ることができる。

図１６は本発明の第６の実施の形態による光送信装置の全体構成を示すブロック図である。図１６において、本発明の第６の実施の形態による光送信装置は、共通モニタ／フィードバック回路４７の代わりに電流モニタフィードバック回路４９と温度モニタ／フィードバック回路５０とを設けた以外は、図８に示す本発明の第５の実施の形態による光送信装置と同様の構成となっており、同一構成要素には同一符号を付してある。

ここで、図８に示す例では、温度監視素子３と波長モニタＰＤ１０との信号を制御切替え回路４６によって選択した後に、共通モニタ／フィードバック回路４７に導入しているが、図１６に示す例のように、温度監視素子３及び波長モニタＰＤ１０それぞれの信号を、それぞれ独立に温度モニタ／フィードバック回路５０と電流モニタフィードバック回路４９とで受け止め、温度制御素子ドライブ回路４５へ出力する制御信号を制御切替え回路４６にて切替える方法としてもよい。

本発明の光出力制御方法では、光送信装置が、直接変調の半導体レーザ１と、光変調信号の変調スペクトルの帯域を制限して波長分散耐力を高めるとともに、波長安定化制御に必要な光出力モニタ信号と波長モニタ信号とを提供する波長弁別ユニット１１０と、温度監視素子３が温度制御素子４の上のキャリア４８上に搭載され、さらに、温度監視素子３を用いた温度制御状態と波長モニタ信号を用いた温度制御状態との切替えを可能にする共通モニタ／フィードバック回路４７と、制御切替え回路４６と、温度制御素子４と、レーザドライブ回路４４と、ＣＰＵ４２と、メモリ４３とからなるように構成している。

本発明の光出力制御方法では、この光送信装置において、光送信装置の起動時に初期設定する光出力波長を定常時に設定する光出力波長よりも長波長側となるようにすることによって、その後、半導体レーザ１が出力を開始する時に、瞬間的に規定値を大きく上回る光出力が発生することなく、規定の光出力に到達して定常動作状態に入ることが可能となる。

光送信装置の出力光スペクトルは、例えば１０ギガビット／秒の変調速度においても、上記の波長弁別ユニット１１０内のバンドパスフィルタによって帯域が制限され、波長分散の影響を低減することが可能となり、例えば、８０ｋｍ以上の一般的な光ファイバを安定的に伝送することができるようになる。

また、本実施の形態では、上記のバンドパスフィルタの効果によって、半導体レーザ１が出力を開始する時に光出力が得られる光波長が、定常動作時の光波長付近に制限され、ＤＷＤＭシステムにて隣接チャンネルへの影響を抑制することが可能となる。

さらに、本実施の形態では、初期的に光波長を定常時より長波側に設定する方法によって、半導体レーザ１が出力を開始する時に、瞬間的に規定値を大きく上回る光出力が発生することなく、規定の光出力に到達し定常動作状態に入ることが可能となる。

本発明は、光伝送装置、ネットワーク装置における光送受信モジュールにも適用することができる。

本発明の第１の実施例による光送信装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例による光送信装置の制御ブロックを示すブロック図である。 本発明の第１の実施例における変調信号の概要を示す図である。 本発明の第１の実施例における変調信号の概要を示す図である。 本発明の第２の実施例による光送信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施例による光送信装置の制御ブロックを示すブロック図である。 本発明の第１〜第４の実施例における制御パラメータ、制御対象、監視対象の関係を示す図である。 本発明の第５の実施の形態による光送信装置の全体構成を示すブロック図である。 図８の波長弁別ユニット１１０の具体的な構成例を示すブロック図である。 本発明の第５の実施の形態による光送信装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第５の実施の形態による光送信装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第５の実施の形態におけるモニタ信号出力特性を示す図である。 本発明の第５の実施の形態における光波長／光出力特性を示す図である。 本発明の第５の実施の形態における光波長／光出力特性を示す図である。 本発明の第５の実施の形態における定常動作波長の設定例を示す図である。 本発明の第６の実施の形態による光送信装置の全体構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ
２ 光導波路基板
３ 温度監視素子
４ 温度制御素子
５ 光フィルタ
６ ヒータ
７ フィルタ非通過ポート
８ フィルタ通過ポート
９ パワーモニタＰＤ
１０ 波長モニタＰＤ
１１ 光出力ポート
１２ 光導波路
２１ 電力一定制御
２２，３２ 光パワー一定制御
２３ フィルタ温度初期設定
２４，３４ Δλ一定制御
３１ フィルタ波長初期設定
３３ 温度一定制御
４１ 光強度モニタＰＤ
４２ ＣＰＵ
４３ メモリ
４４ レーザドライブ回路
４５ 温度制御素子ドライブ回路
４６ 制御切替え回路
４７ 共通モニタ／フィードバック回路
４８ キャリア
４９ 電流モニタフィードバック回路
５０ 温度モニタ／フィードバック回路
１００ 光送信装置
１１０ 波長弁別ユニット

Claims (4)

1. 光フィルタと、光フィルタ透過光の監視ポートと、光フィルタ非透過光の監視ポートとを含む光送信装置であって、
   前記光フィルタ及び前記フィルタ透過特性の監視ポートを含む光導波路を形成した光導波路基板と、半導体レーザと、前記光フィルタ透過光の監視ポートに設けられた波長モニタＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）と、前記光フィルタ非透過光の監視ポートに設けられたパワーモニタＰＤと、前記光導波路及び半導体レーザのうちのいずれかの波長特性を独立に調整可能にするヒータと、前記光導波路基板と半導体レーザとを一括で温度調整する温度制御素子とを含み、
   前記波長モニタＰＤ及び前記パワーモニタＰＤ各々の出力を用いて前記ヒータに対する投入電力を制御することを特徴とする光送信装置。
2. 前記波長モニタＰＤの出力と前記パワーモニタＰＤの出力との比が一定となるように前記温度制御素子による温度調整を制御することを特徴とする請求項１記載の光送信装置。
3. 光フィルタと、光フィルタ透過光の監視ポートと、光フィルタ非透過光の監視ポートとを含む光送信装置に用いる温度制御方法であって、
   前記光フィルタ及び前記フィルタ透過特性の監視ポートを含む光導波路を形成した光導波路基板と半導体レーザとを一括で温度調整可能な形で集積し、前記光導波路及び半導体レーザのうちのいずれかにヒータを付加して前記光導波路及び半導体レーザのうちのいずれかの波長特性を独立に調整可能とし、
   温度制御素子にて前記光導波路基板と半導体レーザとを一括で温度調整し、
   前記光フィルタ透過光の監視ポートに波長モニタＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を設置し、
   前記光フィルタ非透過光の監視ポートにパワーモニタＰＤを設置し、
   前記波長モニタＰＤ及び前記パワーモニタＰＤ各々の出力を用いて前記ヒータに対する投入電力を制御することを特徴とする温度制御方法。
4. 前記波長モニタＰＤの出力と前記パワーモニタＰＤの出力との比が一定となるように前記温度制御素子による温度調整を制御することを特徴とする請求項３記載の温度制御方法。

Images