JP5067335B2 - 光送信モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、光データリンク等に用いられ、レーザダイオードにより光信号を送信する光送信モジュールに関する。
光データリンク等の光通信に用いられる光送信モジュールは、レーザダイオード(以下、LD)の光出力をフォトダイオード(以下、PD)によりモニタし、このモニタ値と基準値とを比較して、その出力をLDのバイアス電流回路にフィードバックしている。このPDモニタによるフィードバック制御は、自動パワー制御(APC:Automatic Power-Control )と呼び、LDの発振駆動を制御するバイアス電流を調整し、LDの光出力を一定に維持する(例えば、特許文献1参照)。
光信号用の信号電流(変調電流Im)は、予め設定されるか、又は、温度やバイアス電流に対応して設定され、バイアス電流と重畳されてLDに供給される。LDの動作特性は温度依存性を有するが、上記のAPC機能によりバイアス電流を自動的に補正することによって、LDの光出力は一定に維持される。しかし、LDの劣化等によって光信号の品質特性のひとつである消光比が劣化した場合には、バイアス電流の制御だけではこれを補正できない。
このため、LDのバイアス電流をモニタして、LDの動作状態や劣化状態等を逐次確認することが行われている。LDのバイアス電流のモニタには、通常、バイアス電流回路から抽出された電流値をモニタ値とし、これをアナログ・デジタル変換器(A/D変換器)でデジタル変換して、CPU等に入力される。モニタ値はCPUで演算処理され、バイアス電流、変調電流に対する制御信号やアラーム信号が出力される。
特開2007−294682号公報
LDのバイアス電流のモニタ回路は、その動作保証温度の範囲で想定される最小〜最大値の間を検出できるように設計される必要がある。LDのバイアス電流は、周囲温度に対して単調増加の傾向にあるが、例えば、周囲温度が−40℃から85℃の範囲で、バイアス電流は、0mAから85mA程度の変動幅があるとする。バイアス電流のモニタに使用されるA/D変換器には、通常、上記変動幅をカバーするようにダイナミックレンジが比較的に広いものが使用されている。そして、A/D変換器の量子化誤差を小さくするには、高い分解能を有するものが必要とされる。例えば、上記のバイアス電流が0mA〜85mAの範囲で、2μA以下の変化を検出しようとすると、16bit以上のA/D変換器が必要となる。
LDの定常時の動作状態では、通常、APC機能により所定のバイアス電流が供給されている。また、LDの動作中に、LDの周囲温度が−40℃から85℃までの大きな範囲で変動することはなく、このため、温度変動によるバイアス電流も上記のような範囲(0mA〜85mA)の変動が生じることは、極めて稀である。したがって、LDの使用可能な全温度範囲、あるいは、想定される全バイアス電流の範囲をカバーするような多bitのA/D変換器の使用には無駄があり、必要以上のコストをかけていることになる。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、LDのモニタ電流をA/D変換器によりデジタル変換するに際し、A/D変換器が有するダイナミックレンジ及び分解能以上に、無駄なく効率よくモニタすることを可能とする光送信モジュールの提供を課題とする。
本発明による光送信モジュールは、LDの周囲温度を検出し、この周囲温度に応じてLDのバイアス電流および変調電流が調整される光送信モジュールであって、温度を検出する温度モニタ手段およびバイアス電流を検出するバイアス電流モニタ手段を備える。バイアス電流モニタ手段は、バイアス電流を予め定めた範囲内で変化するモニタ電流と一定の大きさの電流で段階的に変化する分流バイアス電流とに分流させる制御部と、モニタ電流をデジタル変換するアナログ・デジタル変換器とを備えている。
バイアス電流を分流させる制御部は、温度モニタ手段により検出される周囲温度に対応するバイアス電流の区分範囲、および、バイアス電流の区分範囲に対応させて分流バイアス電流を設定したテーブルを有している。バイアス電流が少ない区分範囲では、モニタ電流をスイッチ装置により切り替えて、例えば、カレントミラー回路のような回路により増幅させるようにしてもよい。なお、分流バイアス電流を段階的に変化させるのに、モニタ電流の変化が増加時と減少時で重なり、すなわちヒステリシスを持つように制御すれば、上記区分範囲の境界における動作の不安定を避けることができる。
上記の本発明によれば、ダイナミックレンジを変えることなく、LDのバイアス電流をモニタするA/D変換器の分解能を高めることが可能となり、A/D変換器を無駄なく、効率的に使用することができ、高精度にLDのバイアス電流をモニタすることができる。
図により本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の光送信モジュールの概略を説明する図、図2はバイアス電流の分流テーブルとモニタ電流の入力形態を説明する図である。図中、1はレーザダイオード(LD)、2はバイアス電流調整部、2aはバイアス電流調整源、3は変調電流調整部、3aは変調電流調整源、4はトランジスタ対、5は温度センサ、6,7はA/D変換器、8は分流制御部、8aは分流バイアス調整源、9は分流テーブル、10はCPUを示す。
本発明による光送信モジュールは、図1に示すように、レーザダイオード(以下、LD1)の光出力をPD(図示省略)によりモニタする。このモニタによるPDモニタ出力を、バイアス電流を調整するバイアス電流調整手段のバイアス電流調整部2にフィードバックさせてバイアス電流調整源2aを制御し、バイアス電流Ibを調整している。このAPCによる制御により、LD1の光出力が温度変動の影響を受けることなく一定に維持される。
また、光信号用のパルス信号Sは、例えば、トランジスタ対で構成された差動型の電流切り替えスイッチ4を用いて変調電流Imをオン・オフすることにより供給される。変調電流Imは、変調電流調整手段の変調電流調整部3により変調電流調整源3aを調整し、所定の変調電流Imとすることにより所望の消光比が得られるようにしている。なお、変調電流Imの値は、LD周囲温度に対して適正な変調電流Imを設定するための変調電流テーブル(図示せず)を備えて設定することができる。
バイアス電流Ibをモニタするバイアス電流モニタ手段は、バイアス電流回路を流れるバイアス電流Ibを、モニタ電流Iと分流バイアス電流Iとに分流する制御部8(分流制御部)を備えている。この分流制御部8は、CPU10に光送信モジュールの他の制御手段と共に格納される。なお、モニタ電流Iとは、バイアス電流のモニタ用として抽出される電流で、バイアス電流Ibから一定の大きさの分流バイアス電流Iを分流させた残りのバイアス電流分で、分流バイアス電流Iを制御することによって、予め定めた範囲で変化する。分流バイアス電流Iとは、バイアス電流Ibから分流させる一定の大きさのバイアス電流分で、分流制御部8により分流バイアス調整源8aを制御することにより調整される。
モニタ電流Iは、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器6を介して、CPU10に入力される。また、温度モニタ手段は、LD1の周囲温度Txを検出する温度センサ5を備え、この検出温度Txのアナログ信号は、デジタル変換するA/D変換器7を介してCPU10に入力される。そして、デジタル変換されたモニタ電流値、あるいは、検出温度信号により、CPU10内で各種の演算が実行され、分流制御部8による分流バイアス電流Iの変更の制御、アラーム信号の生成、その他、変調電流Im等の調整信号が生成される。
本発明においては、上記のA/D変換器6を効率よく使用するために、分流バイアス電流Iの制御に係る分流テーブル9を備えることができる。この分流テーブル9は、図2(A)に示すように、LDの作動が可能と想定される温度範囲を、所定の範囲で区分する。図2(A)の例では、温度センサで検出されるLDの周囲の検出温度Tkを「−40℃〜0℃」、「0℃〜40℃」、「40℃〜70℃」、「70℃〜85℃」の4つの温度範囲で区分している。
LDの温度が変化することにより、しきい値が変動するので、これに合わせて適正なバイアス電流Ibが設定される。LDの温度とバイアス電流の関係は、単調増加の傾向にあるが、光送信モジュールの製造時に、初期時データとして取得しておくことが望ましい。このバイアス電流Ibも、区分されたLDの温度範囲に合わせて、検出温度に対応するように、例えば、「0mA〜25mA」、「20mA〜45mA」、「40mA〜65mA」、「60mA〜85mA」の4つのバイアス電流範囲で区分される。なお、隣り合う区分で電流値が重なる範囲があるが、これについては後述する。
バイアス電流Ibは、モニタ電流Iと分流バイアス電流Iに分流させるが、例えば、モニタ電流Iは、バイアス電流の一部(0mA〜25mA)の範囲で変化する電流分が抽出されるようにする。分流バイアス電流Iは、バイアス電流Ibのうちの一定のバイアス電流分とし、上記の4つに区分されたバイアス電流Ibの区分範囲に対応させて、例えば、「0mA」、「20mA」、「40mA」、「60mA」とする。
図2(B)は、検出温度Tkと分流バイアス電流Iとの関係を図示したもので、検出温度Tkとバイアス電流Ibとの関係を、図2(A)の如く設定することに連動するものである。すなわち、検出温度Tkが「−40℃〜0℃」の区分範囲では、分流バイアス電流Iは0mAで、全てのバイアス電流Ib(0mA〜25mA)をモニタ電流Iとする。検出温度Tkが「0℃〜40℃」の区分範囲では、分流バイアス電流Iは20mAの一定量とし、残りのバイアス電流Ib(0mA〜25mA)をモニタ電流Iとする。検出温度Tkが「40℃〜70℃」および「70℃〜85℃」の区分範囲では、分流バイアス電流Iは40mAおよび60mAの一定量とし、残りのバイアス電流Ib(0mA〜25mA)をモニタ電流Iとする。
図2(C)は、バイアス電流Ibとモニタ電流Iとの関係を図示したものである。図2(A)において、モニタ電流Iは、バイアス電流Ibの全ての区分範囲内で、「0mA〜25mA」の電流が流れるように設定され、これを図示したもので、最小値は0mAで最大値は25mAで直線的に変化する。なお、バイアス電流Ibの区分範囲が切り替わる部分では、モニタ電流Iが0mAと25mAのレベルで不安定な発振状態となる恐れがある。このため、バイアス電流Ibの区分範囲が切り替わる部分、20mA、40mA、60mAの近傍では、重なり範囲D(例えば、5mA程度)を有するように設定し、モニタ電流Iの増加時と減少時での切り替えに、ヒステリシス特性を持たせておくのが望ましい。
上述のように構成された光送信モジュールは、周囲温度が変動するとAPCにより、LDのバイアス電流Ibが自動的に調整される。これに伴い、バイアス電流Ibをモニタするモニタ電流Iも自動的に変動する。しかし、バイアス電流Ibの予め設定された区分範囲、あるいは、これに関連する温度センサで検出される予め設定された検出温度Tkの区分範囲により、バイアス電流Ibから分流させる分流バイアス電流Iが一定の大きさで段階的に切り替えられる。これにより、モニタ電流Iは、バイアス電流Ibの全電流範囲(0mA〜85mA)に対して、常に所定範囲の電流値以下(例えば、0mA〜25mA)とすることができる。このモニタ電流Iと分流バイアス電流Iの制御値とに基づいてバイアス電流Ibを検出することができる。
したがって、モニタ電流I用のA/D変換器6は、バイアス電流Ib(0mA〜85mA)の電流変化に対して、(0mA〜25mA)の電流変化を検出することが可能なダイナミックレンジを有していればよいことになる。この場合、2μAの分解能で検出するとすれば、14bitのA/D変換器を用いることができる。なお、従来のように、全範囲のモニタ電流I(0mA〜85mA)を2μAの分解能で検出するには、16bitのA/D変換器が必要となる。この結果、本発明によれば、A/D変換器にbit数の少ない安価なものを用いることが可能となる。また、従来と同じA/D変換器を用いるとすれば、分解能をさらに高めることが可能となる。
図3、図4は他の実施形態を説明する図で、図3は光送信モジュールの概略を説明する図、図4はバイアス電流の分流テーブルとモニタ電流の入力形態を説明する図である。図中、11はカレントミラー回路、12は切り替えスイッチを示し、その他の符号は図1で用いたのと同じ符号で示し、その説明を省略する。
LDのバイアス電流Ibのモニタは、LDの経時劣化の程度を検知することにも用いられる。このLDの経時劣化は、光送信モジュールの製造時(初期時)のバイアス電流とその後のバイアス電流を比較することにより、LD劣化の状態を推定することができる。しかし、LDの低温時の使用においてはバイアス電流の初期時からの劣化による変動量は小さく、高温時の使用においてはバイアス電流の初期時からの劣化による変動量は大きい。したがって、LDの低温時と高温時で、A/D変換器の分解能を同じにする必要はなく、例えば、LDの周囲温度が、−40℃〜0℃の低温時では分解能を1μA、0℃〜85℃の高温時では分解能を2μAとし、低温時だけ分解能を高めることで、A/D変換器を効率よく使用することができる。
図3,4は、分解能を一時的に高めることを可能とする構成例を示す図で、図1の構成に加えて、バイアス電流Ibのモニタ電流Iのみを一時的に増大させる電流増幅回路を付加することで実現することができる。図3に示すように、光送信モジュールの基本構成は、図1で説明したのと同様で、LD1の光出力をPDによりモニタする。このモニタによるPDモニタ出力を、バイアス電流調整部2にフィードバックさせてバイアス電流調整源2aを制御し、バイアス電流Ibを調整し、LD1の光出力を温度変動の影響を受けることなく一定に維持する。
また、光信号用のパルス信号Sは、トランジスタ対で構成された差動型の電流切り替えスイッチ4を用いて変調電流Imをオン・オフすることにより供給される。この変調電流Imは、変調電量制御部3により変調電流調整源3aを調整し、所望の消光比が得られるようにしている。バイアス電流回路は、電流増幅が可能な電流増幅回路を用いて構成され、具体的には、カレントミラー回路11を用いた構成とすることができる。カレントミラー回路11の一方にはLDのバイアス電流Ibが流れるようにし、他方のミラー側には切り替えスイッチ12が接続される。
バイアス電流モニタ手段は、このバイアス電流回路を流れるバイアス電流Ibを、モニタ用の電流と分流バイアス電流Iとに分流する分流制御部8を備え、この分流制御部8は、CPU10に光送信モジュールの他の制御手段と共に格納される。なお、電流増幅回路によって増幅されたモニタ電流Iは、図1で説明したのと同様に、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器6を介して、CPU10に入力される。
バイアス電流回路のミラー側で、切り替えスイッチ12がオフの場合は、図1で説明したのと同様に、バイアス電流Ibから一定の大きさの分流バイアス電流Iを分流させた残りのバイアス電流分で、「I=Ib−I」である。しかし、切り替えスイッチ12がオンの場合は、ミラー側にバイアス電流Ibと同等の電流Iが流れるので、「I=2×Ib−I」となる。すなわち、この場合は、バイアス電流Ibを増大させた値でモニタすることができ、A/D変換器6の分解能を高めたことになる。
また、温度モニタ手段は、LD1の周囲温度Txを検出する温度センサ5を備え、この検出温度Txのアナログ信号をデジタル変換するA/D変換器7を介して、CPU10に入力される。そして、デジタル変換されたモニタ電流値によりCPU10内で各種の演算が実行され、分流制御部8による分流バイアス電流Iの変更の制御、アラーム信号の生成、その他、変調電流Im等の調整信号が生成される。
本実施形態においても、図1、図2の例と同様に、A/D変換器6を効率よく使用するために、分流バイアス電流Iの制御に係る分流テーブル9を備えることができる。この分流テーブル9は、図4(A)に示すように、LDが使用されると想定される温度範囲を、所定の範囲で区分する。図4(A)の例では、温度センサで検出されるLDの周囲の検出温度Tkを「−40℃〜−20℃」、「−20℃〜−10℃」、「−10℃〜0℃」、「0℃〜40℃」、「40℃〜70℃」、「70℃〜85℃」の6つの温度範囲で区分し、図2(A)と比べて、低温側の区分温度を細かくしている。
この結果、LDの検出温度に対応するバイアス電流Ibも、区分された温度範囲に合わせて、例えば、「0mA〜12.5mA」、「7.5mA〜20mA」、「14mA〜26.5mA」、「20mA〜45mA」、「40mA〜65mA」、「60mA〜85mA」の6つのバイアス電流の大きさ範囲で区分される。モニタ電流Iが入力されるA/D変換器の分解能が2μAで(0mA〜25mA)の電流範囲を検出可能であるとき、「0mA〜12.5mA」、「7.5mA〜20mA」、「14mA〜26.5mA」の区分範囲においては、切り替えスイッチ12をオンにして、分流回路を流れる電流(I+I)をバイアス電流Ibの2倍とする。
そして、モニタ電流Iが(0mA〜25mA)が抽出されるように、分流バイアス電流Iの分流値を調整する。このときの、分流バイアス電流Iは、バイアス電流Ibの2倍のうちの一定のバイアス電流分とし、上記の6つに区分されたバイアス電流Ibの区分範囲に対応させて、例えば、「0mA」、「15mA」、「28mA」、「20mA」、「40mA」、「60mA」とする。
図4(B)は、検出温度Tkと分流バイアス電流Iとの関係を図示したもので、検出温度Tkとバイアス電流Ibとの関係を図4(A)の如く設定することにより連動するものである。すなわち、検出温度Tkが「−40℃〜0℃」の区分範囲では、切り替えスイッチをオンとして、カレントミラー回路を接続状態とする。この場合、検出温度Tkが「−40℃〜20℃」の区分範囲では、分流バイアス電流Iは0mAで、全てのバイアス電流Ib(0mA〜12.5mA)×2をモニタ電流Iとする。検出温度Tkが「−20℃〜−10℃」、「−10℃〜0℃」の区分範囲では、分流バイアス電流Iは15mA、28mAの一定量とし、残りのバイアス電流×2(0mA〜25mA)分をモニタ電流Iとする。
検出温度Tkが「0℃〜85℃」の区分範囲では、切り替えスイッチ12をオフとし、図2(B)の場合と同様の状態とする。すなわち、検出温度Tkが「0℃〜40℃」、「40℃〜70℃」、「70℃〜85℃」の区分範囲では、分流バイアス電流Iは、それぞれ20mA、40mAおよび60mAの一定量とし、残りのバイアス電流(0mA〜25mA)分をモニタ電流Iとする。
図4(C)は、バイアス電流Ibとモニタ電流Iとの関係を図示したものである。図4(A)において、モニタ電流Iは、バイアス電流Ibの全ての区分範囲内で、「0mA〜25mA」の電流が流れるように設定され、これを図示したもので、最小値は0mAで最大値は25mAで直線的に変化する。バイアス電流Ibの区分範囲が切り替わる部分の近傍では図2(C)で説明したのと同様に、モニタ電流Iの増加時と減少時での切り替えに、ヒステリシス特性を持たせておくのが望ましい。
上述の図3、4に示す構成の光送信モジュールは、図1、2で説明したのと同様に、周囲温度が変動するとAPCにより、LDのバイアス電流Ibが自動的に調整される。そして、モニタ電流Iも自動的に変動するが、LDの周囲温度が低温の場合は、LD1のバイアス電流Ibの絶対値が小さく初期時からの変化量も少ないことから、スイッチ12がオンされ、LDのバイアス電流Ibを見掛け上、増幅させる。これにより、モニタ電流を実際よりA/D変換器への入力を大きくして、モニタ電流用のA/D変換器を効率的に使用することができる。なお、LDの周囲温度が高温となった場合は、スイッチ12がオフされ、図1、2と同様な使用形態となる。
本発明の光送信モジュールの概略を説明する図である。 図1のバイアス電流の分流テーブルとモニタ電流の入力形態を説明する図である。 本発明の光送信モジュールの他の実施形態を説明する図である。 図3のバイアス電流の分流テーブルとモニタ電流の入力形態を説明する図である。
符号の説明
1…レーザダイオード(LD)、2…バイアス電流調整部、2a…バイアス電流調整源、3…変調電流調整部、3a…変調電流調整源、4…トランジスタ対、5…温度センサ、6,7…A/D変換器、8…分流制御部、8a…分流バイアス調整源、9…分流テーブル、10…CPU、11…カレントミラー回路、12…切り替えスイッチ。

Claims (5)

  1. レーザダイオードの周囲温度を検出し、該周囲温度に応じてレーザダイオードのバイアス電流および変調電流が調整される光送信モジュールであって、
    前記温度を検出する温度モニタ手段および前記バイアス電流を検出するバイアス電流モニタ手段を備え、
    前記バイアス電流モニタ手段は、前記バイアス電流を予め定めた範囲内で変化するモニタ電流と一定の大きさの電流で段階的に変化する分流バイアス電流とに分流させる制御部と、前記モニタ電流をデジタル変換するアナログ・デジタル変換器とを備えていることを特徴とする光送信モジュール。
  2. 前記制御部は、前記温度モニタ手段により検出される周囲温度に対応するバイアス電流の区分範囲、および、前記バイアス電流の区分範囲に対応させて前記分流バイアス電流を設定したテーブルを有していることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
  3. 前記バイアス電流が少ない区分範囲では、前記モニタ電流をスイッチ装置により切り替えられる電流増幅回路により増幅することを特徴とする請求項1または2に記載の光送信モジュール。
  4. 前記の電流増幅回路にカレントミラー回路を用いることを特徴とする請求項3に記載の光送信モジュール。
  5. 前記モニタ電流の変化が増加時と減少時で重なりを持つように、前記分流バイアス電流を段階的に変化させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光送信モジュール。
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