JP5109566B2

JP5109566B2 - 光送信機

Info

Publication number: JP5109566B2
Application number: JP2007264813A
Authority: JP
Inventors: 弘貴大森
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: US8116637B2; JP2009094897A; US20090097863A1

Description

本発明は、主として長距離光伝送システムに用いられる光送信機に関する。

従来、例えば１０Ｇｂｐｓ長距離伝送は、無中継及び無分散補償での限界は８０ｋｍ〜１００ｋｍ程度であった。この伝送距離を向上させる方法の一つとして、例えば非特許文献１に記載のＣＭＬ（Chirp Managed Laser）技術がある。

ＣＭＬ技術に係る光送信機では、比較的高いバイアス電流と、比較的小さな変調電流とを用いてレーザダイオードを駆動することによって、過渡チャープを抑制している。そして、狭帯域光フィルタを用いて光信号の“０”成分をカットすることにより、レーザダイオードからの出力光の消光比を確保している。
IEEE Photonic Technology Lett. Vol.18(2) (2006) pp.

上述したＣＭＬ技術において用いられる狭帯域光フィルタは、例えばファブリペローエタロンフィルタであり、レーザダイオードの発振周波数に対して周期的な透過特性を有している。そのため、レーザダイオードの発振周波数と、光フィルタからの透過光の光量とが１対１に対応せず、異なる発振周波数に対して光フィルタの透過光の光量が同等になる場合がある。

したがって、光フィルタの温度を一定にし、ＡＰＣ（Automatic Power Control）制御によってレーザダイオードの出力強度を一定にした状態で、ＡＴＣ（Automatic Temparature Control）制御によって光フィルタからの透過光量を調整したとしても、レーザダイオードの発振周波数が異常収束し、レーザダイオードの出力波形が所望の形状にならないおそれがある。この場合、光フィルタによって光信号の“１”成分がカットされてしまい、消光比の確保が困難となる問題が生じ得る。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、発振周波数の異常収束を防止することにより、常に十分な消光比を維持できる光送信機を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る光送信機は、光信号を出力するレーザダイオードと、周期的な透過特性及び反射特性を有し、光信号を透過及び反射する光フィルタと、光信号の強度を直接検出する第１のフォトダイオードと、光フィルタで反射した光信号の強度を検出する第２のフォトダイオードと、第１のフォトダイオードで検出した光信号の強度が一定となるように、レーザダイオードに供給する電流を調整するＡＰＣ回路と、光フィルタの温度を一定にした状態で、第２のフォトダイオードによって検出した光信号の強度が一定になるように、レーザダイオードの温度を調整するＡＴＣ回路と、第１のフォトダイオードの出力信号の位相と、第２のフォトダイオードの出力信号の位相とが反転するように、ＡＴＣ回路におけるレーザダイオードの目標温度を予め制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。

この光送信機では、第１のフォトダイオードの出力信号の位相と、第２のフォトダイオードの出力信号との位相が反転するように、ＡＴＣ回路におけるレーザダイオードの目標温度を予め制御している。ここで、各出力信号を乗算した場合の符号の正負は、第１のフォトダイオードからの出力信号と、第２のフォトダイオードからの出力信号との位相差によって決まる。レーザダイオードの発振周波数が正常収束している場合、光フィルタによって光信号の“０”成分がカットされるため、第２のフォトダイオードからの出力信号の位相は、第１のフォトダイオードからの出力信号の位相に対して論理反転し、乗算後の出力信号の符号は負となる。これに対し、レーザダイオードの発振周波数が異常収束している場合、光フィルタによって光信号の“１”成分がカットされるため、第２のフォトダイオードからの出力信号の位相は、第１のフォトダイオードからの出力信号の位相に対して論理反転せず、乗算後の出力信号の符号は正となる。したがって、乗算後の出力信号の符号が負となるようにＡＴＣ回路におけるレーザダイオードの目標温度を予め制御することにより、ＡＴＣ制御を行う際のレーザダイオードの発振周波数の異常収束を回避でき、光信号の消光比が常に十分に維持される。

制御手段は、第１のフォトダイオードの出力信号の位相と、第２のフォトダイオードの出力信号の位相とが１８０°異なるように、ＡＴＣ回路におけるレーザダイオードの目標温度を制御することが好ましい。この場合、レーザダイオードの異常収束をより確実に回避できる。

本発明に係る光送信機によれば、発振周波数の異常収束を防止することにより、常に十分な消光比を維持できる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る光送信機の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る光送信機の一実施形態を示す図である。図１に示すように、光送信機１は、ＬＤ２と、ビームスプリッタ３と、光フィルタ４と、第１のＰＤ５と、第２のＰＤ６と、第１のＴＥＣ７と、第２のＴＥＣ８と、第１のサーミスタ９と、第２のサーミスタ１０とを備えている。

また、光送信機１は、機能的な構成要素として、バイアス回路１１と、ＬＤドライバ１２と、第１のＩ／Ｖ変換回路１３と、第２のＩ／Ｖ変換回路１４と、ＴＥＣドライバ１５と、信号処理回路１６と、判断回路１７と、制御部（制御手段）１８とを備えている。

ＬＤ２は、例えばＤＦＢ（Distributed FeedBack）レーザである。ＬＤ２は、バイアス回路１１によって供給されるバイアス電流によって光信号を出力する。ＬＤ２から出力される光信号は、ビームスプリッタ３及び光フィルタ４を介して光ファイバＦに結合される。光信号には、デジタルデータを重畳するための２つの光スペクトル“０”成分及び“１”成分が含まれている。

ビームスプリッタ３は、ＬＤ２と光フィルタ４との間の光路上に配置されている。ビームスプリッタ３は、ＬＤ２からの光信号を分岐し、光フィルタ４及び第１のＰＤ５に導く。また、ビームスプリッタ３は、光フィルタ４で反射した光信号の反射光を第２のＰＤ６に導く。

光フィルタ４は、例えば狭帯域のファブリペローエタロンフィルタであり、周期的な透過特性を有している。図２は、光フィルタ４の透過特性の一例を示す図である。図２に示す例では、光フィルタ４は、約５０ＧＨｚごとに透過率のピークを有している。通常の使用態様において、光フィルタ４は、ＬＤ２からの光信号の成分のうち、“０”成分のみを低減するように調整される。また、“０”成分と“１”成分とは、断熱チャープによってスプリットされている。

第１のＰＤ５は、ＬＤ２から出力され、ビームスプリッタ３で分岐した光信号を検出する部分である。第１のＰＤ５は、検出した光信号の強度に応じた出力信号を第１のＩ／Ｖ変換回路１３に出力する。また、第２のＰＤ６は、光フィルタ４で反射した光信号の反射光を検出する部分である。第２のＰＤ６は、検出した光信号の強度に応じた出力信号を第２のＩ／Ｖ変換回路１４に出力する。

第１のＴＥＣ７は、ＬＤ２の温度を調整する部分である。また、第２のＴＥＣ８は、光フィルタ４の温度を調整する部分である。第１のＴＥＣ７及び第２のＴＥＣ８は、ペルチェ素子といった熱電変換素子を含んで構成され、その動作は、ＴＥＣドライバ１５によって制御される。

第１のサーミスタ９は、ＬＤ２の温度を検出する素子であり、ＬＤ２の近傍に配置されている。第２のサーミスタ１０は、光フィルタ４の温度を検出する素子であり、光フィルタ４の近傍に配置されている。第１のサーミスタ９及び第２のサーミスタ１０は、検出した温度に応じた出力信号をＴＥＣドライバ１５に出力する。

バイアス回路１１は、過渡チャープを抑制するために十分な量のバイアス電流をＬＤ２に供給する。第１のＩ／Ｖ変換回路１３は、第１のＰＤ５からの電流信号を電圧信号に変換し、バイアス回路１１及び信号処理回路１６にそれぞれ出力する。第２のＩ／Ｖ変換回路１４は、第２のＰＤ６からの電流信号を電圧信号に変換し、ＴＥＣドライバ１５及び信号処理回路１６にそれぞれ出力する。

ＬＤドライバ１２は、ＬＤ２に高周波変調電流を供給する部分である。この高周波変調電流の供給により、ＬＤ２から出力される光信号には、上述した“０”成分と“１”成分とにより構成されるデジタルデータが重畳される。

ＴＥＣドライバ１５は、第１のサーミスタ９及び第２のサーミスタ１０から出力される出力信号に基づいて、第１のＴＥＣ７及び第２のＴＥＣ８を駆動する部分である。これにより、ＴＥＣドライバ１５は、ＬＤ２及び光フィルタ４の温度を所望の値に調整・維持する。

上述した第１のＩ／Ｖ変換回路１３及びバイアス回路１１は、ＡＰＣ制御を行なうＡＰＣ回路を構成している。ＡＰＣ制御では、光フィルタ４の温度を一定にした状態で、第１のＰＤ５で検出される光信号の強度が所望の値で一定になるように、ＬＤ２に供給するバイアス電流量を調整する。

また、第１のサーミスタ９、第１のＴＥＣ７、第２のＩ／Ｖ変換回路１４、及びＴＥＣドライバ１５は、ＡＴＣ制御を行うＡＴＣ回路を構成している。ＡＴＣ制御では、第２のＰＤ６によって検出される光信号の強度が一定になるように、ＬＤ２の温度を調整する。

一方、信号処理回路１６は、位相比較回路２１と、ローパスフィルタ２２とによって構成されている。位相比較回路２１は、第１のＩ／Ｖ変換回路１３及び第２のＩ／Ｖ変換回路１４から出力される２つの出力信号の位相を比較する。信号処理回路１６は、２つの出力信号の相対的位相が０±９０°の範囲にあるときには正の信号を出力し、２つの出力信号の相対的位相が１８０±９０°の範囲にあるときには負の信号を出力する。比較後の出力信号は、ローパスフィルタ２２を通過した後、判断回路１７に出力される。

判断回路１７は、信号処理回路１６からの出力信号の符号の正負を判断することにより、ＬＤ２の発振周波数が正常収束しているか否かを判断する部分である。判断回路１７は、信号処理回路１６からの出力信号の符号が負である場合には、ＬＤ２の発振周波数が正常収束していると判断する。また、判断回路１７は、信号処理回路１６からの出力信号の符号が正である場合には、ＬＤ２の発振周波数が異常収束していると判断する。判断回路１７は、判断結果を示す結果情報を生成し、制御部１８に出力する。ＬＤ２の発振周波数の正常収束・異常収束については、後述する。

制御部１８は、ＡＴＣ回路におけるＬＤ２の目標温度を予め制御する部分である。より具体的には、制御部１８は、判断回路１７から受け取った結果情報により、発振周波数が異常収束していると判断された場合に、ＴＥＣドライバ１５に対して、ＬＤ２の目標温度を低下させる旨の指示情報を出力する。制御部１８による指示情報の出力は、判断回路１７から発振周波数が正常収束している旨の判断結果情報を受け取るまで継続される。また、ＬＤ２の目標温度の調整は、例えば第１のサーミスタ９の抵抗値の変更によって行われる。

続いて、上述した構成を有する光送信機１の動作について説明する。

図３は、光送信機１の動作を示すフローチャートである。図３に示すように、まず、光送信機１の電源がオン状態とされ、光フィルタ４及びＬＤ２の温度が所定値になるようにＡＴＣ制御がなされる。その後、光フィルタ４及びＬＤ２の温度が所定値になった時点で、ＬＤ２から光信号が出力される（ステップＳ０１）。光信号が出力された後、ＡＰＣ制御が行われる（ステップＳ０２）。

光フィルタ４のＡＴＣ制御では、第２のサーミスタ１０、第２のＴＥＣ８、及びＴＥＣドライバ１５の協働により、光フィルタ４の温度が一定に保たれる。そして、光フィルタ４の温度が一定に保たれた状態で、ＡＰＣ回路により、第１のＰＤ５で検出される光信号の強度が所望の値で一定になるように、ＬＤ２に供給するバイアス電流量が調整される。

ところで、上述した光フィルタ４は、例えばファブリペローエタロンフィルタであり、周期的な透過特性を有している（図２参照）。そのため、ＬＤ２の発振周波数と、光フィルタ４からの透過光の光量とが１対１に対応せず、異なる発振周波数に対して光フィルタ４の透過光の光量（第２のＰＤ６で検出する反射光の光量と等価）が同等になる場合がある。

ＬＤ２の発振周波数が正常収束している場合、図４（ａ）に示すように、光フィルタ４によって光信号の“０”成分が主としてカットされる。このため、光ファイバＦに結合する光信号の出力波形においては、図４（ｂ）に示すような高い消光比が得られる。これに対し、ＬＤ２の発振周波数が異常収束している場合、図５（ａ）に示すように、光フィルタ４によって光信号の“１”成分が主としてカットされる。このため、光ファイバＦに結合する光信号の出力波形においては、図５（ｂ）に示すような低い消光比となる。

そこで、光送信機１においては、まず、第１のＰＤ５によって検出されるＬＤ２からの光信号の出力強度と、第２のＰＤ６によって検出される光フィルタ４での光信号の反射光の出力強度とを取得する（ステップＳ０３）。次に、取得した出力強度に応じて第１のＰＤ５及び第２のＰＤ６からそれぞれ出力される２つの出力信号の位相を比較する（ステップＳ０４）。また、比較後の出力信号をローパスフィルタ２２に通す。

ステップＳ０３及びステップＳ０４の各処理において、ＬＤ２の発振周波数が正常収束している場合、断熱チャープによってスプリットした光スペクトルのうち、“０”成分が主として光フィルタ４でカットされるため、図６（ａ）に示すように、第１のＰＤ５からの出力信号の位相と、第２のＰＤ６からの出力信号の位相とは、論理反転する。この場合、２つの出力信号を乗算すると、図６（ｂ）に示すように、ローパスフィルタ２２からの出力信号の符号は全域にわたって負となる。

一方、ＬＤ２の発振周波数が異常収束している場合、断熱チャープによってスプリットした光スペクトルのうち、“１”成分が主として光フィルタ４でカットされるため、図７（ａ）に示すように、第１のＰＤ５からの出力信号の位相と、第２のＰＤ６からの出力信号の位相とは、論理反転しない。この場合、２つの出力信号を乗算すると、図７（ｂ）に示すように、ローパスフィルタ２２からの出力信号の符号は全域にわたって正となる。

ローパスフィルタ２２を通過した出力信号は、判断回路１７に出力され、（ステップＳ０５）、符号の正負の判断がなされる（ステップＳ０６）。出力信号の符号が負である場合には、ＬＤ２の発振周波数が正常収束していると判断される。この場合、引き続き、ＡＴＣ回路によるＡＴＣ制御が行われ、第２のＰＤ６によって検出される光信号の強度が一定になるように、ＬＤ２の温度が調整される（ステップＳ０７）。

ステップＳ０６において、出力信号の符号が正である場合には、ＬＤ２の発振周波数が異常収束していると判断される。この場合、制御部１８の制御によってＡＴＣ回路におけるＬＤ２の目標温度が下げられ、出力信号の符号が正から負に反転し、かつそのレベルが最小値をとる、或いは第２のＰＤ６によって検出される光信号強度が所望の値をとるまでＬＤ２の発振周波数が強制的に短波長側にシフトされる（ステップＳ０８）。その後、ＡＴＣ制御により、第２のＰＤ６によって検出される光信号の強度が一定になるように、ＬＤ２の温度が調整される（ステップＳ０７）。

以上説明したように、光送信機１では、ＡＴＣ制御に先立って、信号処理回路１６により、第１のＰＤ５からの出力信号と、第２のＰＤ６からの出力信号との位相を比較している。そして、比較後の出力信号が正である場合にＬＤ２の発振周波数が異常収束していると判断し、出力信号が負となるようにＡＴＣ回路におけるＬＤ２の目標温度を予め制御している。これにより、光送信機１では、ＡＴＣ制御を行う際のＬＤ２の発振周波数の異常収束を回避でき、光信号の消光比を常に十分に維持できる。したがって、光ファイバＦ中での光信号の分散の影響を小さくすることができ、伝送距離の好適な確保が可能となる。

本発明に係る光送信機の一実施形態を示す図である。光フィルタの透過特性の一例を示す図である図１に示した光送信機の動作を示すフローチャートである。正常収束が生じている場合と異常収束が生じている場合とにおける光スペクトルと光フィルタの透過率との関係を示す図である。正常収束が生じている場合と異常収束が生じている場合とにおける光信号の出力波形を示す図である。正常収束が生じている場合の信号処理回路での出力信号の様子を示す図である。異常収束が生じている場合の信号処理回路での出力信号の様子を示す図である。

符号の説明

１…光送信機、２…ＬＤ、４…光フィルタ、５…第１のＰＤ、６…第２のＰＤ、７…第１のＴＥＣ、９…第１のサーミスタ、１１…バイアス回路、１３…第１のＩ／Ｖ回路、１４…第２のＩ／Ｖ回路、１５…ＴＥＣドライバ、１６…信号処理回路、１７…判断回路、１８…制御部、２１…位相比較回路、２２…ローパスフィルタ。

Claims

光信号を出力するレーザダイオードと、
周期的な透過特性及び反射特性を有し、前記光信号を透過及び反射する光フィルタと、
前記光信号の強度を直接検出する第１のフォトダイオードと、
前記光フィルタで反射した前記光信号の強度を検出する第２のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードで検出した前記光信号の強度が一定となるように、前記レーザダイオードに供給する電流を調整するＡＰＣ回路と、
前記光フィルタの温度を一定にした状態で、前記第２のフォトダイオードによって検出した前記光信号の強度が一定になるように、前記レーザダイオードの温度を調整するＡＴＣ回路と、
前記第１のフォトダイオードの出力信号の位相と、前記第２のフォトダイオードの出力信号の位相とを比較する位相比較回路と、
前記位相比較回路からの出力信号を通過させるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタを通過した出力信号の符号の正負を判断する判断回路と、
前記判断回路から出力される判断結果に応じて前記ＡＴＣ回路における前記レーザダイオードの目標温度を予め制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記判断回路からの出力信号の符号が負の場合には前記光信号の強度が一定になるように前記目標温度を制御し、前記判断回路の出力信号の符号が正の場合には符号を負に反転させるため前記目標温度が低下するように制御する光送信機。
前記制御部は、前記第１のフォトダイオードの出力信号の位相と、前記第２のフォトダイオードの出力信号の位相とが１８０°異なるように、前記ＡＴＣ回路における前記レーザダイオードの前記目標温度を制御する請求項１記載の光送信機。