JP5310057B2

JP5310057B2 - 半導体光増幅装置

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Publication number: JP5310057B2
Application number: JP2009030993A
Authority: JP
Inventors: 節生吉田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: JP2010186919A; US20100208335A1; US8749878B2

Description

本発明は、半導体光増幅装置に関する。

半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）は、光増幅率が変動する特性を有する。例えば、半導体光増幅器の光増幅率は、温度と相関を持っている。具体的には、半導体光増幅器の光増幅率は、活性層の温度が低くなるにつれて高くなり、活性層の温度が高くなるにつれて低くなる。したがって、半導体光増幅器は、温度制御装置（ＴＥＣ：Thermo-Electric Cooler）等を用いて温度制御されていた。

また、半導体光増幅器の光増幅率は、活性層に供給される駆動電流と相関を持っている。具体的には、半導体光増幅器の光増幅率は、駆動電流が大きくなるにつれて大きくなり、駆動電流が小さくなるにつれて小さくなる。そこで、駆動電流によって半導体光増幅器の光増幅率を制御する技術が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。

「電子情報通信学会技術研究報告 CPM, 電子部品・材料（CPM2001-125）」Vol.101, No.517(20011214) pp. 23-28（社団法人電子情報通信学会 ISSN:09135685）

ここで、温度制御装置によって温度制御された半導体光増幅器に到達する光バースト信号をモニタしつつ半導体光増幅器の駆動電流をフィードフォワード制御する構成について考える。この場合、駆動電流は、入力される光バースト信号のパワーに応じて制御される。

しかしながら、温度制御装置の温度が一定に制御されても、半導体光増幅器の活性層の温度は、半導体光増幅器の連続駆動時と非駆動時とで相違する。したがって、同じ駆動電流を半導体光増幅器に供給しても、半導体光増幅器のゲインが相違してしまう。特に、光バースト信号に一定以上の間隔が生じると、次に入力される光バースト信号に対して過剰なゲインがオーバーシュート的に発生するおそれがある。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、光バースト信号が入力される半導体光増幅器のゲインの変動を抑制することができる半導体光増幅装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、明細書開示の半導体光増幅装置は、入力光信号を増幅する半導体光増幅器と、入力光信号が半導体光増幅器に入力されない場合に半導体光増幅器に予熱電流を供給するコントローラと、を備え、半導体光増幅器の増幅率は、活性層の温度が低くなるにつれて高くなり、活性層の温度が高くなるにつれて低くなり、入力光信号は、光信号が存在する状態と光信号が存在しない状態を有する光バースト信号であるものである。

明細書開示の半導体光増幅装置によれば、光バースト信号が入力される半導体光増幅器のゲインの変動を抑制することができる。

実施例１に係る半導体光増幅装置が適用されるＰＯＮシステムの概略図である。（ａ）は実施例１に係る半導体光増幅装置の全体構成を説明するための概略図であり、（ｂ）は光バースト信号を説明するための図である。（ａ）〜（ｆ）は、半導体光増幅器の温度とゲインとの関係について説明するための図である一般的な光バースト信号が半導体光増幅器に入力される場合の出力光について説明するための図である。（ａ）〜（ｆ）は、半導体光増幅器に予熱電流が供給される場合の半導体光増幅器の温度とゲインとの関係について説明するための図である。図４と同様の光バースト信号が半導体光増幅器に入力される場合の出力光について説明するための図である。実施例２に係る半導体光増幅装置の全体構成を説明するための概略図である。実施例３に係る半導体光増幅装置の全体構成を説明するための概略図である。図４と同様の光バースト信号が半導体光増幅器に入力される場合の出力光について説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ、実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る半導体光増幅装置１００が適用されるＰＯＮ（Passive Optical Network）システムの概略図である。図１で説明されるように、インターネット局舎のＯＬＴ（Optical Line Terminal）から各ＯＮＵ（Optical Network Unit）に対して光信号が送信される下り方向においては、同一光強度の光信号が連続的に送信される。したがって、各光信号に光強度のばらつきが生じない。

一方、各ＯＮＵからＯＬＴに光信号が送信される上り方向においては、光カプラにおいて各光信号が合成されることから、光信号が不連続に送信されかつ各光信号に光強度のばらつきが生じる。したがって、上り方向においては、各光信号の光強度にばらつきが生じるとともに、光信号が存在する状態と存在しない状態とが生じる。この光信号のことを、光バースト信号という。本実施例に係る半導体光増幅装置１００は、上記のＯＬＴに設置され、上り方向に入力される光バースト信号を増幅する。

次に、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して、半導体光増幅装置１００について説明する。図２（ａ）は、実施例１に係る半導体光増幅装置１００の全体構成を説明するための概略図である。図２（ｂ）は、光バースト信号を説明するための図である。

図２（ａ）で説明されるように、半導体光増幅装置１００は、温度制御回路１０、温度制御装置２０、半導体光増幅器３０、ビームスプリッタ４０、遅延線５０、パワーモニタ６０、コントローラ７０、および光フィルタ８０を備える。図２（ｂ）で説明されるように、光バースト信号は、光信号が存在する状態と存在しない状態とを有する。

温度制御回路１０は、温度制御装置２０の素子搭載面の温度が一定に保持されるように、温度制御装置２０にＴＥＣ駆動電流を供給する。温度制御装置２０は、例えばペルチェ素子等である。温度制御装置２０の素子搭載面には、半導体光増幅器３０が搭載されている。温度制御装置２０の素子搭載面の温度が一定に保持されることから、半導体光増幅器３０の温度が制御される。

ビームスプリッタ４０は、入力される光バースト信号を２方向に分岐する。分岐された一方の光バースト信号は、遅延線５０を通って半導体光増幅器３０に入力される。遅延線５０においては、光バースト信号は所定時間遅延される。半導体光増幅器３０においては、活性層に供給される駆動電流に応じて光バースト信号を増幅する。分岐された他方の光バースト信号は、パワーモニタ６０に入力される。パワーモニタ６０は、入力された光バースト信号の光強度を検出し、その検出結果をコントローラ７０に与える。

コントローラ７０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Cetral Processing Unit）、不揮発性メモリ（ＲＯＭ：Read Only Memory）、揮発性メモリ（ＲＡＭ：Random Acsess Memory）等を含む。コントローラ７０は、半導体光増幅器３０に入力される光バースト信号の光強度と駆動電流との対応テーブル７１を不揮発性メモリにあらかじめ保持している。なお、対応テーブル７１に保持されている駆動電流は、半導体光増幅器３０から出力される各光信号の光強度が一定値に増幅されるように設定された電流である。

コントローラ７０は、対応テーブル７１を参照し、パワーモニタ６０の検出結果に対応する駆動電流を半導体光増幅器３０の活性層に供給する。この場合、半導体光増幅器３０は、フィードフォワード制御される。なお、遅延線５０における遅延量は、光バースト信号がパワーモニタ６０に入力されてコントローラ７０がそれに応じて駆動電流を半導体光増幅器３０の活性層に供給する際に生じる遅延量に相当するように設定される。それにより、コントローラ７０が制御に要する時間が相殺される。光フィルタ８０は、半導体光増幅器３０において発生する雑音光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）を遮断する。

続いて、半導体光増幅器３０の温度とゲインとの関係について説明する。図３（ａ）〜図３（ｆ）は、半導体光増幅器３０の温度とゲインとの関係について説明するための図である。

図３（ｂ）で説明されるように半導体光増幅器３０に光信号が入力されていない場合、図３（ａ）で説明されるように駆動電流が供給されない場合について考える。この場合、半導体光増幅器３０において、駆動電流に起因する熱が発生しない。それにより、光信号が入力されない状態が続くと、半導体光増幅器３０の温度は温度制御装置２０の素子搭載面の温度（例えば２５℃）とほぼ等しくなる。

半導体光増幅器３０の温度が温度制御装置２０の素子搭載面の温度と等しくなってから光信号が入力された場合、コントローラ７０から駆動電流が供給されることによって光信号が増幅される。この場合、半導体光増幅器３０において駆動電流に起因して熱が発生する。それにより、半導体光増幅器３０の活性層の温度が上昇する。それに伴って、半導体光増幅器３０のゲインが低下する。その結果、図３（ｄ）で説明されるように、半導体光増幅器３０からの出力光強度が低下する。

半導体光増幅器３０の活性層に駆動電流が供給される状態が続くと、図３（ｅ）で説明されるように、半導体光増幅器３０に所定の温度勾配が形成される。この場合、半導体光増幅器３０の活性層の温度変化が抑制される。それにより、図３（ｆ）で説明されるように、半導体光増幅器３０のゲインの変動が抑制されて出力光強度が収束する。

図４は、一般的な光バースト信号が半導体光増幅器３０に入力される場合の出力光について説明するための図である。光強度の異なる光信号１および光信号２が間隔を大きく空けずに入力された場合、半導体光増幅器３０においてほぼ一定の光強度に増幅される。しかしながら、光信号２の後に光信号３が入力されるまで例えば１０マイクロ秒経過したとする。この場合、図３（ｃ）〜図３（ｆ）で説明したように、オーバーシュート的な過剰ゲインが生じる。

そこで、本実施例においては、光信号が入力されない場合において、半導体光増幅器３０の活性層に予熱電流を供給する。コントローラ７０に、入力光無しの場合における予熱電流を対応テーブル７１に保持する。予熱電流の大きさは、例えば、半導体光増幅器３０のダイオードしきい値電圧を印加することによって流れる電流程度である。以下、図５（ａ）〜図５（ｆ）を参照しつつ、半導体光増幅器３０の活性層に予熱電流が供給される場合の半導体光増幅器３０の温度とゲインとの関係について説明する。

図５（ｂ）で説明されるように半導体光増幅器３０に光信号が入力されていない場合に、図５（ａ）で説明されるように半導体光増幅器３０の活性層に所定の予熱電流が供給される。この場合、半導体光増幅器３０において、予熱電流に起因して熱が発生する。それにより、半導体光増幅器３０に所定の温度勾配が形成され、半導体光増幅器３０の活性層の温度は温度制御装置２０の素子搭載面の温度よりも高くなる。

次に図５（ｄ）で説明されるように光信号が入力された場合、対応テーブル７１に従って半導体光増幅器３０の活性層に駆動電流が供給される。それにより、半導体光増幅器３０において光信号が増幅される。この場合、半導体光増幅器３０においてすでに温度勾配が形成されていることから、半導体光増幅器３０の活性層の温度変化が小さくなる。それにより、半導体光増幅器３０の出力光強度の変化が小さくなる。

半導体光増幅器３０の活性層に駆動電流が供給される状態が続いても、図５（ｅ）で説明されるように、半導体光増幅器３０において図４（ａ）と同様の温度勾配が形成される。それにより、半導体光増幅器３０の活性層の温度変化が抑制される。その結果、図５（ｆ）で説明されるように、半導体光増幅器３０の出力光強度の変化が小さくなる。

図６は、図４と同様の光バースト信号が半導体光増幅器３０に入力される場合の出力光について説明するための図である。光強度の異なる光信号１および光信号２が間隔を大きく空けずに入力された場合、半導体光増幅器３０においてほぼ一定の光強度に増幅される。各光信号の間隔において、半導体光増幅器３０の活性層に予熱電流が供給される。それにより、半導体光増幅器３０が予熱される。その結果、光信号２の後に光信号３が入力されるまでの期間が長くなったとしても、オーバーシュート的な過剰ゲインが抑制される。

このように、光信号が入力されない場合に半導体光増幅器３０の活性層に予熱電流を供給することによって、光バースト信号が入力される半導体光増幅器のゲインの変動を抑制することができる。その結果、オーバーシュート的な過剰ゲインを抑制することができる。なお、予熱電流に起因して半導体光増幅器３０において発生する雑音は、光フィルタ８０によって遮断される。

図７は、実施例２に係る半導体光増幅装置１００ａの全体構成を説明するための概略図である。図７で説明されるように、半導体光増幅装置１００ａが図２の半導体光増幅装置１００と異なる点は、パワーモニタ６０が設けられておらず、対応テーブル７１の代わりに対応テーブル７１ａがコントローラ７０に保持されている点である。対応テーブル７１ａには、上り方向の信号発信源とタイムスロットと駆動電流との対応関係が保持されている。なお、信号発信源が無い場合に対応させて予熱電流値が保持されている。

本実施例においては、ＯＬＴは、上り方向の光信号の発信源およびタイムスロットをコントローラ７０に与える。コントローラ７０は、ＯＬＴから与えられた発信源およびタイムスロットに応じて、対応テーブルから駆動電流を取得する。それにより、半導体光増幅器３０のゲインは、発信源に応じて制御される。発信源が無い（入力光信号が無い）タイムスロットに対しては、半導体光増幅器３０の活性層に予熱電流が供給される。それにより、半導体光増幅器３０におけるゲインの変動が抑制される。その結果、オーバーシュート的な過剰ゲインが抑制される。また、本実施例によれば、パワーモニタおよびビームスプリッタを設けなくてもよい。したがって、コスト低下を図ることができる。

図８は、実施例３に係る半導体光増幅装置１００ｂの全体構成を説明するための概略図である。図８で説明されるように、半導体光増幅装置１００ｂが図２の半導体光増幅装置１００と異なる点は、コントローラ７０の代わりにコントローラ７０ｂが備わっている点である。コントローラ７０ｂは、立ち上がりエッジ検出部７２および電流値保持回路７３を備えている。

本実施例においては、立ち上がりエッジ検出部７２は、パワーモニタ６０の検出結果に応じて入力光信号の立ち上がりエッジを検出する。また、コントローラ７０は、対応テーブル７１を参照してパワーモニタ６０の検出結果に対応する駆動電流を半導体光増幅器３０の活性層に供給する。電流値保持回路７３は、立ち上がりエッジ検出部７２が次の立ち上がりエッジを検出するまで、駆動電流を保持する。この場合、光信号が入力されなくなった場合においても、半導体光増幅器３０の活性層に電流が供給される。それにより、半導体光増幅器３０におけるゲインの変動が抑制される。

図９は、図４と同様の光バースト信号が半導体光増幅器３０に入力される場合の出力光について説明するための図である。光信号１が入力された場合、立ち上がりエッジ検出部７２は、立ち上がりエッジを検出する。それにより、電流値保持回路７３によって、光信号２が入力されるまで、対応テーブル７１に保持された駆動電流値が保持される。次に光信号２が入力された場合、立ち上がりエッジ検出部７２は、立ち上がりエッジを検出する。それにより、電流値保持回路７３によって、光信号３が入力されるまで、対応テーブル７１に保持された駆動電流値が保持される。

したがって、光信号２と光信号３との間の間隔が大きくなったとしても、半導体光増幅器３０の温度変化が抑制される。それにより、半導体光増幅器３０のゲインの変動が抑制される。その結果、オーバーシュート的な過剰ゲインが抑制される。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０温度制御回路
２０温度制御装置
３０半導体光増幅器
４０ビームスプリッタ
５０遅延線
６０パワーモニタ
７０コントローラ
７１対応テーブル
８０光フィルタ
１００半導体光増幅装置

Claims

入力光信号を増幅する半導体光増幅器と、
前記入力光信号が前記半導体光増幅器に入力されない場合に、前記半導体光増幅器に予熱電流を供給するコントローラと、を備え、
前記半導体光増幅器の増幅率は、活性層の温度が低くなるにつれて高くなり、前記活性層の温度が高くなるにつれて低くなり、
前記入力光信号は、光信号が存在する状態と光信号が存在しない状態を有する光バースト信号であることを特徴とする半導体光増幅装置。
前記半導体光増幅器に入力される前の入力光信号の光強度を検出するモニタをさらに備え、
前記コントローラは、前記モニタの検出結果に応じて、前記半導体光増幅器に入力光信号が入力されているか否かを検出することを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅装置。
前記入力光信号の伝搬を遅延させる遅延手段をさらに備え、
前記半導体光増幅器には、前記遅延手段によって遅延された前記入力光信号が入力され、
前記モニタは、前記遅延手段によって遅延される前の前記入力光信号の光強度をモニタすることを特徴とする請求項２記載の半導体光増幅装置。
前記半導体光増幅器の出力光が入力され、前記半導体光増幅器への前記予熱電流の供給によって発生する雑音光を遮断する光フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体光増幅装置。
前記コントローラは、前記入力光信号の光強度と前記予熱電流との対応関係を記憶したメモリを有し、前記対応関係に基づいて前記予熱電流を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体光増幅装置。
前記コントローラは、前記入力光信号の立ち上がりエッジを検出する立ち上がりエッジ検出部と、前記立ち上がりエッジ検出部によって立ち上がりエッジが検出された場合に前記半導体光増幅器への供給電流値を保持する電流値保持回路と、を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体光増幅装置。