JP5124252B2 - 光信号発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変光減衰器を用いて出射光の強度を可変できる光信号発生装置において、強度変更時の収束時間を短縮し、設定確度を高く、安定性をより高くするための技術に関する。

光信号を任意の強度で出射する構成として、光源から出射された強度一定の光を可変光減衰器に入射して、その減衰量を可変することで所望強度の光を出射させる方式があるが、光源から出射される光の強度および可変光減衰器の光減衰量が変動すると、出射光可変光減衰器から出射される光の強度も変動してしまい、安定性に欠けるという問題がある。

これを解決する方式として、図５に示すフィードバック制御方式のものが知られている。即ち、光源１から出射された光Ｐ０を可変光減衰器２に入射し、可変光減衰２から出射された光Ｐ１を光分岐器３で所定の強度比（例えば９対１）で分岐し、その分岐光のうち強度が大きい方の光Ｐ２を装置の出射光とし、強度が小さい方の光Ｐ３を制御に用いるモニタ光として光電変換器４に入射する。

そして、モニタ光Ｐ３の強度に比例した光電変換器４の出力信号Ｖを増幅器５で増幅し、その増幅された信号Ｖｘを、出射光Ｐ２の強度を設定するための設定信号Ｖｓとともに誤差増幅器６に入力する。

誤差増幅器６からは、信号Ｖｘと設定信号Ｖｓとの差に比例し、且つ信号Ｖｘを設定信号Ｖｓに近づける方向に可変光減衰器２の減衰量を制御するための制御信号Ｖｃが出力され、可変光減衰器２に入力される。

このような構成のフィードバック制御方式の装置の場合、誤差増幅器６に入力される信号Ｖｘが設定信号Ｖｓに常に等しくなるように制御され、結果的に、モニタ光Ｐ３の強度が一定となるように制御され、出射光Ｐ２の強度も安定化される。

なお、上記のように可変光減衰器を用いたフィードバック制御方式の光信号発生装置は例えば特許文献１に開示されている。

特開平２−２０８９８６号公報 図１

しかしながら、上記のような可変光減衰器を用いたフィードバック制御方式の従来装置で、光源１の出射光Ｐ０の強度変動に対応させるためには可変光減衰器２の初期減衰量を最小でもその変動分を見込んで設定する必要がある。つまり、光源１からの光Ｐ１は定常的な減衰を受けて光分岐器３に入射される。そして、出射光Ｐ２の強度を大きくするためにはモニタ光Ｐ３の強度を下げる必要がある。

このため、光電変換器４の出力信号Ｖのレベルが小さくなるので、必然的に増幅器５に要求される利得が大きくなり、その出力信号ＶｘのＳ／Ｎが低下する。また誤差増幅器６に要求される利得も大きいため、フィードバックループが不安定になり、ときには発振して正しい制御が行えないという問題があった。

また、可変光減衰器２は、例えば図６に示すように広い減衰量範囲で制御信号Ｖｃに対してリニアな減衰量変化が得られず、出射光Ｐ２の強度を広い範囲にわたって可変させる必要がある光信号発生装置としては、この非線形な特性によってフィードバックループがさらに不安定になるという問題があった。

このようなフィードバック制御方式の不安定を解消する技術として、フィードバックループにＬＰＦを挿入する方法が知られている。このＬＰＦとしては一般的に抵抗とコンデンサの直列回路からなるラグフィルタが用いられるが、上記したように利得が大きく、しかも非線形な特性をもつ素子が含まれている系を安定させ、且つ、強度の設定変更時の過渡応答に大きなオーバーシュートを発生させないためには、ダンピングファクタを１に近づける必要があり、ラグフィルタでこのような大きなダンピングファクタを実現しようとすると、収束時間が長くなって、出射光の強度が安定するまでの時間が長くなってしまう。

簡単な数値例をあげると、可変光減衰器２として半導体基板に対するエッチング処理で形成した小型で高速動作可能なＭＥＭＳ型のものを用い、光分岐器３の強度比を９５：５、Ｒ＝３０ｋΩ、Ｃ＝１μＦのラグフィルタを増幅器５と誤差増幅器６の間に挿入し、出射光Ｐ２の強度を−２０ｄＢｍから−４ｄＢｍに切り替えたとき、図７のような過渡応答が得られている。この過渡応答では、オーバーシュートが約０．１８ｄＢ、収束時間約５秒となっており、高速な減衰量切換が可能なＭＥＭＳ型の可変光減衰器２を用いているにもかかわらず高速な強度切換が行えず、例えば光のパワーを可変しながら機器のビットエラーレートを測定する際の測定時間が非常に長くなってしまう。

また、図８は、出射光強度が低い（約−２０ｄＢｍ）場合の出射光の変動を測定した結果であり、可変光減衰器２の減衰量が大きい悪条件下で、平均−２０．１２７９ｄＢｍ、標準偏差σ＝０．００４９ｄＢｍ程度の安定度しか得られていない。

本発明は、この問題を解決して、強度設定変更時の収束時間が短く、オーバーシュート等の強度の暴れが小さく出射光強度の安定性の高い光信号発生装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光信号発生装置は、
光源（２１）と、
前記光源の出射光を受け、制御信号に応じた減衰を与えて出射する可変光減衰器（２２）と、
前記可変光減衰器の出射光を２分岐する光分岐器（２３）と、
前記光分岐器で分岐された一方の光を受け、その光の強度に対応した大きさの電気の信号を出力する光電変換器（２４）と、
前記光電変換器の出力信号を増幅する増幅器（２５）と、
前記増幅器の出力信号を平滑する第１のフィルタ（２６）と、
前記光分岐器で分岐された他方の光の強度を可変設定するための設定信号を出力する設定器（２７）と、
前記第１のフィルタの出力信号と前記設定器から出力された設定信号とを受け、前記第１のフィルタの出力信号が前記設定信号に近づく方向に前記可変光減衰器の減衰量を変化させるための信号を出力する誤差増幅器（２８）と、
前記誤差増幅器の出力信号を平滑して前記可変光減衰器に前記制御信号として与える第２のフィルタ（２９）と備えた光信号発生装置であって、
前記誤差増幅器の入力側と出力側に設けた前記第１のフィルタおよび第２のフィルタとして、前記設定器による強度可変設定に対して出射光強度が設定強度に達するまでの収束時間を短縮化するために、ダンピングファクタが大きい程収束時間が短くなる特性を有するラグリード型フィルタを用いたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２の光信号発生装置は、請求項１記載の光信号発生装置において、
前記可変光減衰器が、半導体基板に対するエッチング処理で形成した小型で高速動作可能なＭＥＭＳ型であって、電極間に与えた電圧によって生じる静電的な吸引力を用いてシャッタ板を光路に進退させるシャッタ方式、または、前記吸引力を用いて入射光を受ける反射板の角度を変化させ出射光の方向を変えることで特定方向への光の強度を変化させるミラー方式のいずれかであることを特徴とする。

また、本発明の請求項３の光信号発生装置は、請求項２記載の光信号発生装置において、
前記第１のフィルタ及び第２のフィルタを構成するラグリード型フィルタは、入力端子と出力端子の間に挿入された第１抵抗Ｒ１、出力端子とアースの間に直列に接続された第２抵抗Ｒ２およびコンデンサＣにより構成され、前記可変減衰器の切換速度数１００ｍｓに対して、出射光強度を−２０ｄＢｍから−４０ｄＢｍに変更したときのオーバーシュート０．８ｄＢ、収束時間１秒の過渡応答特性、および、出射光強度−２０ｄＢｍ設定時の出力標準偏差０．００１２ｄＢｍを、
Ｒ１＝３．３ｋΩ、Ｒ２＝３３ｋΩ、Ｃ＝１μＦ
の値で実現していることを特徴とする。

このように、本発明の光信号発生装置では、光電変換器から出力されて増幅器で増幅された信号を第１のフィルタで平滑して誤差増幅器に与えるとともに、その誤差増幅器の出力信号を第２のフィルタで平滑しているため、系の経時安定性が高く、安定なフィードバック制御が行える。

また、第１のフィルタおよび第２のフィルタとして、ダンピングファクタが大きい程収束時間が短くなる特性を有するラグリード型のものを用いることで、系の位相遅れを少なくすることができより安定な制御動作が行え、出射光の強度を変更したときのオーバーシュートやアンダーシュートなどの強度の暴れが少なく、収束時間を格段に短くすることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した光信号発生装置２０の構成を示している。

この光信号発生装置２０の光源２１は、半導体レーザや変調器等を有し、ほぼ一定強度の光Ｐ０（変調光でも無変調光でもよい）を可変光減衰器２２に出射する。

可変光減衰器２２は、前記したように、半導体基板に対するエッチング処理により小型に形成され、高速動作可能（例えば切換速度数１００ｍｓ）な所謂ＭＥＭＳ型のものである。

ＭＥＭＳ型の可変光減衰器２２は、例えば電極間に与えた電圧によって生じる静電的な吸引力を用いてシャッタ板を光路に進退させるシャッタ方式や、前記吸引力を用いて入射光を受ける反射板の角度を変化させ出射光の方向を変えることで特定方向への光の強度を変化させるミラー方式等の様々な方式があり、そのいずれであってもよい。

可変光減衰器２２の出射光Ｐ１は、光分岐器２３に所定の分岐比（例えば９５対５）で２分岐され、その分岐光のうち、強度が大きい方が出射光Ｐ２として出射され、強度の小さい方がモニタ光Ｐ３として光電変換器２４に入射される。

モニタ光Ｐ３を受けた光電変換器２４からは、そのモニタ光Ｐ３の強度に比例した電圧の信号Ｖが出力され、増幅器２５で増幅される。

この増幅器２５は、例えば対数アンプにより構成されており、その出力信号Ｖｘはラグリード型の第１のフィルタ２６に入力される。

この第１のフィルタ２６は、増幅器２５の出力信号を平滑するためのものであり、図２に示すように、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２とコンデンサＣにより構成されている。このような回路構成のラグリード型のフィルタの場合、ダンピングファクタが大きい程、収束時間が短くなる特性があるので、ラグフィルタに比べて強度設定変更時の過渡応答を格段に改善することができる。第１のフィルタ２６の出力信号Ｖｘ′は誤差増幅器２８に入力される。

設定器２７は、光分岐器２３から出射される出射光Ｐ２の強度を可変設定するための設定信号Ｖｓを誤差増幅器２８に入力する。

誤差増幅器２８は、第１のフィルタ２６の出力信号Ｖｘ′と設定器２７から出力された設定信号Ｖｓとの差に比例した大きさで、且つ、第１のフィルタ２３の出力信号Ｖｘ′が設定信号Ｖｓに近づく方向に可変光減衰器２２の減衰量を変化させるための信号Ｖｃを出力する。

この信号Ｖｃは、第２のフィルタ２９に入力される。第２のフィルタ２９は、第１のフィルタ２６と同様のラグリード型で、誤差増幅器２８の出力信号Ｖｃを平滑して可変光減衰器２２に制御信号Ｖｃ′として与える。

このように実施形態の光信号発生装置２０は、光電変換器２４から出力されて増幅器２５で増幅された信号Ｖｘを第１のフィルタ２６で平滑して、誤差増幅器２８に与えるとともに、その誤差増幅器２８の出力信号Ｖｃを第２のフィルタ２９で平滑して可変光減衰器２２に与えているため、系の経時安定性が高く、安定なフィードバック制御が行える。

また、第１のフィルタ２６および第２のフィルタ２９として、ラグリード型のものを用いることで、系の位相遅れを少なくすることができ、より安定な制御動作が行え、出射光の強度を変更したときのオーバーシュートやアンダーシュートなどの強度の暴れが少なく、収束時間を格段に短くすることができる。

図３は、実施形態において、第１のフィルタ２６と第２のフィルタ２９を、抵抗Ｒ１＝３．３ｋΩ、Ｒ２＝３３ｋΩ、Ｃ＝１μＦで形成し、出射光強度を−２０ｄＢｍから−４．２ｄＢｍに変更した場合の過渡応答特性を示すものであり、オーバーシュートは約０．８ｄＢｍ、収束時間約１秒となっており、前記したラグフィルタを用いた場合の過渡応答と比べて格段に改善されていることがわかる。

また、図４は、出射光強度が低い（約−２０ｄＢｍ）場合の出射光の変動を測定した図であり、可変光減衰器２３の減衰量が大きい悪条件下で、平均２０．０９８４ｄＢｍ、標準偏差σ＝０．００１２ｄＢｍの高い安定度が得られている。

したがって、この実施形態の光信号発生装置２０は、ＭＥＭＳ型の可変光減衰器２３の高速動作と大きな減衰量可変を有効に用いることができ、例えば光のパワーを可変しながら機器のビットエラーレートを測定する際の測定を極めて短時間に行うことができる。

本発明の実施形態の構成図 実施形態の要部の回路図 実施形態の過渡応答特性の測定結果を示す図 実施形態の出射光強度の経時変化の測定結果を示す図 従来装置の構成図 可変光減衰器の特性例を示す図 ラグフィルタを挿入したときの過渡応答特性の測定結果を示す図 ラグフィルタを挿入したときの出射光強度の経時変化の測定結果を示す図

符号の説明

２０……光信号発生装置、２１……光源、２２……可変光減衰器、２３……光分岐器、２４……光電変換器、２５……増幅器、２６……第１のフィルタ、２７……設定器、２８……誤差増幅器、２９……第２のフィルタ

Claims (3)

1. 光源（２１）と、
   前記光源の出射光を受け、制御信号に応じた減衰を与えて出射する可変光減衰器（２２）と、
   前記可変光減衰器の出射光を２分岐する光分岐器（２３）と、
   前記光分岐器で分岐された一方の光を受け、その光の強度に対応した大きさの電気の信号を出力する光電変換器（２４）と、
   前記光電変換器の出力信号を増幅する増幅器（２５）と、
   前記増幅器の出力信号を平滑する第１のフィルタ（２６）と、
   前記光分岐器で分岐された他方の光の強度を可変設定するための設定信号を出力する設定器（２７）と、
   前記第１のフィルタの出力信号と前記設定器から出力された設定信号とを受け、前記第１のフィルタの出力信号が前記設定信号に近づく方向に前記可変光減衰器の減衰量を変化させるための信号を出力する誤差増幅器（２８）と、
   前記誤差増幅器の出力信号を平滑して前記可変光減衰器に前記制御信号として与える第２のフィルタ（２９）と備えた光信号発生装置であって、
   前記誤差増幅器の入力側と出力側に設けた前記第１のフィルタおよび第２のフィルタとして、前記設定器による強度可変設定に対して出射光強度が設定強度に達するまでの収束時間を短縮化するために、ダンピングファクタが大きい程収束時間が短くなる特性を有するラグリード型フィルタを用いたことを特徴とする光信号発生装置。
2. 前記可変光減衰器が、半導体基板に対するエッチング処理で形成した小型で高速動作可能なＭＥＭＳ型であって、電極間に与えた電圧によって生じる静電的な吸引力を用いてシャッタ板を光路に進退させるシャッタ方式、または、前記吸引力を用いて入射光を受ける反射板の角度を変化させ出射光の方向を変えることで特定方向への光の強度を変化させるミラー方式のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の光信号発生装置。
3. 前記第１のフィルタ及び第２のフィルタを構成するラグリード型フィルタは、入力端子と出力端子の間に挿入された第１抵抗Ｒ１、出力端子とアースの間に直列に接続された第２抵抗Ｒ２およびコンデンサＣにより構成され、前記可変減衰器の切換速度数１００ｍｓに対して、出射光強度を−２０ｄＢｍから−４０ｄＢｍに変更したときのオーバーシュート０．８ｄＢ、収束時間１秒の過渡応答特性、および、出射光強度−２０ｄＢｍ設定時の出力標準偏差０．００１２ｄＢｍを、
   Ｒ１＝３．３ｋΩ、Ｒ２＝３３ｋΩ、Ｃ＝１μＦ
   の値で実現していることを特徴とする請求項２記載の光信号発生装置。

Images