前述のように、SOA駆動電流による光利得制御方式を行う場合には、SOA素子の温度を一定にする温度制御を行うのが一般的である。しかし、SOA素子の温度を一定に保持した上でのSOA駆動電流による光利得制御方式では、電流変化に伴うSOA飽和光出力変動により、低利得時(=低駆動電流時)においてパターン効果による波形劣化が発現しやすいという問題がある。そこで、この問題を解決するため、SOA素子温度とSOA駆動電流の両方を組み合わせて制御する光利得制御方式が考えられる。
この光利得制御方式は、SOA素子温度の変化が主に光利得のみを変化させ、飽和光出力をほとんど変化させない点を生かして、SOA素子温度とSOA駆動電流の両方を変化させて飽和光出力を一定に保ったままSOA光利得制御を実現する手法である。この制御方式を行う場合、SOA素子温度の調整機構として、ペルチェ素子等の熱電冷却素子(Thermo-Electric Cooler: TEC)(以下、TECと称する。)に加えてSOA素子上に形成した微小ヒータを用いることが考えられる。
図1は、微小ヒータを備えたSOA素子をTECに搭載したSOAモジュールの構造例を示す図である。
図1に示すように、半導体光増幅器(SOA)素子11は、厚さ100μm程度のn−InP基板14と、n−InP基板14の裏面に形成されたカソード電極16と、n−InP基板14の上方に形成されたInGaAsP製の多重量子井戸の活性層12と、活性層12の上方に形成されたp−InP製の上部クラッド層13と、上部クラッド層13の上に形成されたアノード電極15と、を備えている。アノード電極15およびカソード電極16は、図示していない端子からSOA駆動電流ISOAが供給される。SOA素子11の入力信号光の入射端面および出力信号光の出射端面には反射防止膜が設けられる。SOA素子11は、活性層12に入射する入力信号光Oinを増幅して、出力信号光Ooutを出力する。増幅率はSOA駆動電流SDRに応じて変化する。
アノード電極15の活性層12の上の部分には、絶縁層17が形成され、さらに絶縁層17の上にTi薄膜などによるヒータ層18が形成されている。ヒータ層18の幅や厚さは、ヒータとして適当な電気抵抗が得られるように調整されている。ヒータ層18の両端にはヒータ電極19、20が形成される。ヒータ電極19、20にヒータ電流HDRを供給することによりヒータ層18の全面から均一にジュール熱を発生する。以下、ヒータ層18およびヒータ電極19、20を合わせて、微小ヒータ24と称する。微小ヒータ24は、絶縁膜17を介してSOA素子11の上面のアノード電極15上に形成されており、光利得を発生するSOA活性層12まで数μmという近距離に配置され、ヒータで発生した熱が効率よくSOA活性層12の温度を上昇させる。SOA活性層12の温度を低下させる時には、逆にヒータ電流HDRを減少させ、SOA活性層12の基板および素子キャリア21を介して下部のTEC23の排熱作用により放熱を行う。したがって、制御に伴うヒータ電流HDRの最大変動範囲の1/2の電流値を、ヒータ電流HDRの中心値とし、この中心値に対してヒータ電流HDRを増減する。このため、ヒータ電流HDRは、常時流れる。
以上のように、ヒータ搭載SOA素子は、ヒータ電力によりSOA素子内のSOA活性層12付近のみが局所的にかつ効率的に熱制御されるため、実効的な熱容量が小さく、高速な利得制御が可能である。
図1に示した微小ヒータ24を利用する温度調整機構が搭載されたSOA素子11は、一例であり、各種の変形例があり得る。実施形態で使用するSOA素子11は、応答性の良好な温度調整機構が搭載されたものであればよい。
図1に示すように、微小ヒータ24が搭載されたSOA素子11は、良好な熱伝導性材料で作られた素子キャリア(ステージ)21に搭載される。素子キャリア21上のSOA素子11の近傍にはサーミスタなどの温度センサ22が設けられ、素子キャリア21の温度が検出可能である。さらに、素子キャリア21は、半導体材料からなるペルチェ素子などの熱電冷却素子(TEC)23に搭載される。TEC23により素子キャリア21を冷却または加熱することにより、素子キャリア21に搭載されたSOA素子11の温度を調整可能である。
以上説明したように、図1に示したヒータ搭載SOA素子11は、効率的にSOA活性層12付近の温度のみを調整できるため、TEC23のみを使用した場合に比べて高速な利得調整が可能であるという利点を備える。
図2は、図1のヒータ搭載SOA素子を用いたSOAモジュールのALC制御方式の考えられる例の構成を示すブロック図である。
温度制御回路34は、温度センサ22からの信号TSに応じてTEC23の駆動信号TECDRを変化させ、素子キャリア21の温度を一定にするようにフィードバック制御を行う。
半導体光増幅器モジュールの入力信号光MOinは、光カプラ25により分岐され、大部分はSOA素子11の光活性層12に入射し、一部は入力光検出器27に入射する。入力光検出器27は、入力信号光MOinの強度を示す入力光強度信号INPを生成する。入力光強度信号INPは、光利得制御回路31に送られる。また、SOA素子11の出力信号光Ooutは、光カプラ26により分岐され、大部分は半導体光増幅器モジュールの出力信号光MOoutになり、一部は出力光検出器28に入射する。出力光検出器28は、出力信号光Ooutの強度を示す出力光強度信号OUTPを生成する。出力光強度信号OUTPは、光利得制御回路31に送られる。
光利得制御回路31は、入力光強度信号INPおよび出力光強度信号OUTPと目標の光出力もしくは光利得を比較し、内部テーブルを参照してヒータ駆動電流およびSOA駆動電流の目標値を算出する。光利得制御回路31は、ヒータ駆動電流の目標値を指示する制御信号CTRHをヒータ駆動回路33に送る。ヒータ駆動回路33は、制御信号CTRHに基づいてヒータ駆動電流HDRを生成し、微小ヒータ24に供給する。また、光利得制御回路31は、SOA駆動電流の目標値を指示する制御信号CTRSをSOA駆動回路32に送る。SOA駆動回路32は、制御信号CTRSに基づいてSOA駆動電流SDRを生成し、SOA11のアノード電極15に供給する。これにより、SOA素子の光利得が所望の値に調整される。
以上説明した構成により、図1の半導体光増幅器(SOA)モジュールを図2の制御方式で制御する場合、SOA素子11の飽和光出力を一定以上に保持したまま高速な光利得調整が可能になる。従って、SOA素子を高い光出力でALC動作させた際にも、大きな入力ダイナミックレンジおよびある程度高速の(μ秒オーダ)利得制御時間を実現している。
しかし、図1の微小ヒータ24による温度調整では、素子キャリア21上のSOA素子11の近傍にサーミスタ等の温度センサ22を配置し、TEC23はその温度センサ22の検知温度(SOA素子温度)が一定となるようにフィードバック制御を行っている。その関係で、ある程度長時間に渡って(数秒以上)微小ヒータ24の発熱によってSOA素子11の温度を上昇させた場合、温度調整回路34が素子キャリア21の温度の上昇を感知し素子キャリア21の温度を一定にするためにTEC23の出力を上昇させる。すると、今度は微小ヒータ24で発生した熱の大半がTEC23に吸収されてしまい、さらに大きな微小ヒータの駆動電力が必要となるためSOAモジュール全体としての消費電力が極端に上昇してしまうという課題が生じる。
また、この課題はTEC23の排熱能力が低下する高い環境温度の状態ではさらに顕著となり、高い環境温度の状態でSOAモジュールを動作させた場合、SOAモジュール内部の消費電力(SOA消費電力、TEC消費電力、ヒータ消費電力の総和)がTEC23の排熱能力を上回り、温度制御が破綻して熱暴走を起こす可能性も存在していた。
以上のように、図2に示した制御方式では、高い飽和光出力を保持し(パターン効果による波形劣化を防止し)かつ高速な利得応答を持つが、消費電力が低く環境温度変化に対して強固な高出力ALC制御を実現できていなかった。
以下に説明する半導体光増幅器(SOA)モジュールの実施形態では、このような問題を、半導体光増幅器(SOA)モジュールの温度制御のための構造の変更と、新規なALC制御方法の採用と、で解決する。
図3は、第1実施形態の半導体光増幅器(SOA)モジュールの構造を示す図である。図3において、ヒータ搭載SOA11は、例えば図1に示したものであるが、これに限定されず、ヒータを搭載し、良好な応答性の温度調整機能を備えるものであればよい。ヒータ搭載SOA11は、窒化アルミニューム(AlN)材などで作られる素子キャリア41上に実装される。素子キャリア41は、半導体材料からなるペルチェ素子などによる第1熱電冷却素子(TEC)42上に固定される。第1TEC42は、例えば銅(Cu)材質のヒートシンク43上に固定される。また、NTCサーミスタなどによる温度センサ44が、ヒートシンク43に設けられる。ヒートシンク43は、ペルチェ素子などによる第2熱電冷却素子(TEC)45上に固定される。第2TEC45の放熱面は、半導体光増幅器モジュールの筐体46に接し、外部との熱交換が可能になっている。
第1入力レンズ49を固定した入力レンズホルダ50および第1出力レンズ51を固定した出力レンズホルダ52が、ヒータ搭載SOA素子11の入力端面および出力端面付近に位置するように、ヒートシンク43上に固定されている。半導体光増幅器モジュールの筐体46には、入力光ファイバ47と第2入力レンズ48および出力光ファイバ54と第2出力レンズ53が固定されている。第1実施形態では、入力光ファイバ47とヒータ搭載SOA素子11の光結合は、第1入力レンズ49と第2入力レンズ48の2枚のレンズ系で実現される。同様に、出力光ファイバ54とヒータ搭載SOA素子11の光結合は、第1出力レンズ51と第2出力レンズ53の2枚のレンズ系で実現されている。
第1実施形態の構成では、第1TEC42上にはヒータ搭載SOA素子11と素子キャリア41のみが配置されるので、第1TEC42が制御する熱容量は小さく、応答速度を高速化可能である。また、ヒータ搭載SOA素子11及び素子キャリア41は、温度変化による光軸移動が、想定温度範囲内で充分小さくなるように設計されており、微小ヒータの動作による温度変化が、ヒータ搭載SOA素子11と光ファイバ間の結合効率を劣化させることはない。
図3に示すように、第1実施形態の半導体光増幅器モジュールは、2個の熱電冷却素子(TEC)を使用する2段構成の温度制御構造を備えている。第2TEC45を使用する1つの温度制御構造は、ヒートシンク43の温度を、外界の温度変化にかかわらず一定温度に制御する。第1TEC42を使用するもう1つの温度制御構造は、外界の温度変化にかかわらず、ヒータ搭載SOA素子11で発生する微小ヒータ24の発熱とSOA駆動電流に起因する発熱を合わせた熱を、ヒートシンク43に排熱するように動作する。これにより、温度制御が容易になり、温度制御が破綻して熱暴走を起こすことはなくなる。
次に、第1実施形態の半導体光増幅器モジュールで行うALC制御を説明する。第1実施形態の制御では、短時間の変化に対しては、SOA駆動電流と微小ヒータの駆動電流で制御を行う。SOA駆動電流と微小ヒータの駆動電流に起因する比較的長時間のヒータ搭載SOA素子11の温度変化に対しては、第1TEC42により制御する。
具体的には、第1実施形態の半導体光増幅器モジュールでは、2つの制御を独立して行う。第1の制御では、SOA素子への入力信号光の強度を検出する。そして、検出した入力信号光の強度情報と外部から与えられた目標光出力から制御回路に記憶したテーブルを参照しSOA駆動電流とTEC駆動電力の標準値を読み出して、各駆動回路にて所定の値を出力する、いわゆるフィードフォワード制御を適用する。一方、第2の制御では、ヒータ駆動電流については出力信号光の強度が目標光出力となるように、SOA駆動電流及びTEC駆動電力とは独立にフィードバック制御を行う。
図4は、第1実施形態の半導体光増幅器(SOA)モジュールの全体構成を示すブロック図である。
第1実施形態の半導体光増幅器モジュールは、第1光利得制御回路61と、SOA駆動回路62と、第1TEC駆動回路63と、第2光利得制御回路65と、ヒータ駆動回路66と、温度制御回路67と、図3に示した半導体光増幅器(SOA)モジュール構造と、光カプラ25および26と、入力光検出器27と、出力光検出器28と、光遅延線55と、を備える。
図3に示したように、ヒータ搭載SOA素子11は素子キャリア41を介して第1TEC42上に実装され、第1TEC42の放熱面はヒートシンク43に保持され、ヒートシンク43には温度センサが配置されている。ヒートシンク43は、外界との熱交換を行う第2TEC45に保持されている。
SOAモジュールの入力信号光MOinは、光カプラ25により分岐され、大部分はSOA素子11の光活性層12に入射し、一部は入力光検出器27に入射する。入力光検出器27は、入力信号光MOinの強度を示す入力光強度信号INPを生成する。入力光強度信号INPは、第1光利得制御回路61に送られる。また、SOA素子11の出力信号光Ooutは、光カプラ26により分岐され、大部分はSOAモジュールの出力信号光MOoutになり、一部は出力光検出器28に入射する。出力光検出器28は、出力信号光Ooutの強度を示す出力光強度信号OUTPを生成する。出力光強度信号OUTPは、第2光利得制御回路65に送られる。光カプラ25および26は、例えば石英系ビームスプリッタなどで形成される。入力光検出器27および出力光検出器28は、例えばInGaAs pinフォトダイオードなどで形成される。
第1光利得制御回路61は、入力光強度信号INPおよび外部から設定された目標光出力値、信号光波長情報などに基づいて、内部に記憶した制御テーブルを参照して、SOA制御信号ACTRSおよび第1TEC制御信号ACTRTを生成する。第1光利得制御回路61は、SOA駆動回路62にSOA制御信号ACTRSを供給し、第1TEC駆動回路63に第1TEC制御信号ACTRTを供給する。SOA駆動回路62は、SOA制御信号ACTRSに応じてSOA駆動電流SDRを生成して、ヒータ搭載SOA素子11のアノード電極15に供給する。第1TEC駆動回路63は、第1TEC制御信号ACTRTに応じて第1TEC駆動電流TEC1DRを生成して、第1TEC42に供給する。言い換えれば、第1光利得制御回路61は、入力光強度信号INPに応じて、SOA駆動電流SDRおよび第1TEC駆動電流TEC1DRをフィードフォワード制御する。
第2光利得制御回路65は、出力光強度信号OUTPを受けて、出力光強度信号OUTPが目標光出力値に近づくようにフィードバック制御するヒータ制御信号ACTRHを生成し、ヒータ駆動回路66に供給する。ヒータ駆動回路66は、ヒータ制御信号ACTRHに応じてヒータ駆動電流HDRを生成して、微小ヒータ24に供給する。
温度制御回路67は、温度センサ44の検出したヒートシンク43の温度を示すヒートシンク温度信号TS2を受けて、ヒートシンク43の温度が一定の設定温度(例えば20℃)になるようにフィードバック制御する第2TEC駆動電流TEC2DRを生成する。第2TEC駆動電流TEC2DRは、第2TEC45に供給される。
図5は、第1実施形態におけるALC制御方式の動作を説明するための図であり、ヒータ搭載SOA素子11への入力信号光Oinの強度、出力信号光Ooutの強度、SOA活性層12の温度、ヒータ駆動電流HDR、第1TEC駆動電流TEC1DRの時間変動の様子を模式的に示す。なお、ヒータ搭載SOA素子11の光利得は、SOA活性層12の温度に反比例する。
ヒータ搭載SOA素子11への入力信号光Oinの強度は、図5に示した入力ダイナミックレンジ内で時間的に変動する。ここで、ある時間t0で入力信号光の強度が増大したと仮定すると、図5に示すように、瞬間的にSOA光利得は過多となり出力信号光Ooutの強度が目標レベルに対してオーバーシュートする。第2光利得制御回路65は、この出力信号光の強度増大を検知して、ヒータ駆動電流HDRを増大させる方向にフィードバック制御を行い、SOA活性層12の温度を上昇させてSOA光利得を減少させる。この働きで出力信号光Ooutの強度は、ヒータ制御による活性層温度安定時間Tsで目標出力信号光の強度に再調整される。微小ヒータ24はSOA活性層12の直近に配置されているため、一般にTsはマイクロ秒〜ミリ秒の程度である。
一方で、第1光利得制御回路61は、入力信号光Oinの強度増大を感知して、新しい第1TEC制御信号ACTRTおよびSOA制御信号ACTRSを、第1TEC駆動回路63およびSOA駆動回路62に供給する。これに応じて、第1TEC駆動回路63およびSOA駆動回路62は、新しい第1TEC駆動電流TEC1DRおよびSOA駆動電流SDRを、第1TEC42およびヒータ搭載SOA素子11に供給する。ここで、新しい第1TEC駆動電流TEC1DRは、素子冷却方向を正とすると、減少する方向である。これは、これ以後の説明でも同様である。SOA駆動電流SDRは増大する方向であるが、SOA駆動回路における電流の変動はそれほど大きくないため図示は省略している。第1TEC駆動電流TEC1DRが更新され、第1TEC42がヒータ搭載SOA素子11および素子キャリア41から第1TEC42に移す廃熱量が低下すると、SOA活性層12の温度は徐々に上昇し、光利得が低下する傾向になる。しかし、この効果は第2光利得制御回路65のフィードバック制御でヒータ電流低減によりキャンセルされ、ヒータ搭載SOA素子11及び素子キャリア41の温度が平衡状態に達するまで、ヒータ駆動電流HDRは徐々に低下し、ヒータ搭載SOA素子11からの出力信号光の強度は常に目標レベルに保持される。この熱平衡が達成されるまでの時間Thは、第1TEC42上に存在する熱容量の大きさによって変化するが、おおよそミリ秒から数秒の程度である。最終的に時間Thが経過すると、モジュールの内部は熱平衡状態に達し、ヒータ電流HDRは応答初期値より小さいある一定値に保持される。この時、第1TEC42の消費電力は、入力信号光の強度変動前より小さく、微小ヒータ24の消費電力は初期状態よりやや大きい状態になる。
次に、ある時間t1にて入力信号光の強度が低下した場合を説明する。この場合、瞬間的にSOA光利得は過小となり出力信号光Ooutの強度が目標レベルに対してアンダーシュートする。第2光利得制御回路65は、この強度低下を検知して、ヒータ駆動電流HDRを減少させる方向にフィードバック制御を行い、SOA活性層12の温度が低下してSOA光利得が増大する。この働きで、先程と同様にヒータ搭載SOA素子11の出力信号光Ooutの強度はヒータ制御による活性層温度安定時間Tsで目標出力信号光強度に再調整される。一方で第1光利得制御回路61は、入力信号光の強度低下を感知して、新しい第1TEC制御信号ACTRTおよびSOA制御信号ACTRSを、第1TEC駆動回路63およびSOA駆動回路62に供給する。これに応じて、第1TEC駆動回路63およびSOA駆動回路62は、新しい第1TEC駆動電流TEC1DRおよびSOA駆動電流SDRを、第1TEC42およびヒータ搭載SOA素子11に供給する。ここで、新しい第1TEC駆動電流TEC1DRは増大する方向、SOA駆動電流SDRは低下する方向である。第1TEC駆動電流TEC1DRが更新され、第1TEC42の廃熱量が増大すると、SOA活性層12の温度は徐々に低下し、SOA光利得は上昇するが、この効果は第2光利得制御回路65のフィードバック制御によるヒータ電流HDRの増大によりキャンセルされ、ヒータ搭載SOA素子11及び素子キャリア41の温度が平衡状態に達するまで、ヒータ駆動電流HDRは徐々に増大し、ヒータ搭載SOA素子11からの出力信号光の強度は常に目標レベルに保持される。最終的に時間Thが経過すると、モジュール内は熱平衡状態に達し、ヒータ電流HDRは応答初期値より大きいある一定値に保持される。この時、第1TEC42の消費電力は、入力信号光の強度変動前より大きく、微小ヒータ24の消費電力は初期状態よりやや小さい状態になる。以上のように、第1実施形態においては、ヒータ搭載SOA素子11のALC制御動作では、入力信号光の強度変動に応じた各制御パラメータの変化によりSOA光利得が調整され、出力信号光の強度は常にある一定の目標値付近に保持される。この時、モジュールの消費電力は主に第1TEC42の消費電力と微小ヒータ24の消費電力の和で決まり、第1TEC42の消費電力と微小ヒータ24の消費電力が入力信号光の強度変動に対して互いに反対の方向に変動することからおおよそ一定の値に保たれる。そのためモジュールの最大消費電力は比較的低い値に抑制することができる。
さらに第1実施形態では、第1TEC42の下部に温度センサ44を配置したヒートシンク43を配置し、ヒートシンク43と外界の間に設置した第2TEC45によってその温度を一定に保持する構成を採用している。これにより環境温度が変化しても第1TEC42の放熱面の温度は変化せず第1TEC42の排熱効率は一定に保たれるため、環境温度に関係なく安定したフィードフォワード制御が可能となっている。
ここで、図5の右側に、比較のため図2のALC駆動方式を用いた場合の各部の信号を模式図で示す。時間t0にて入力信号光Oinの強度が増大すると、光利得制御回路31が入力信号光Oinおよび出力信号光Ooutの強度変化を検知する。光利得制御回路31は、SOA駆動回路32およびヒータ駆動回路33を介して、新しいSOA駆動電流SDRとヒータ駆動電流HDRの標準値を設定する。その後、出力信号光の強度に対するヒータ駆動電流HDRのフィードバック制御によってヒータ駆動電流HDRが増大し、SOA活性層12の温度が上昇してSOA光利得が減少するため、ヒータ搭載SOA素子からの出力信号光の強度は時間ts内に目標光出力レベルに調整される。しかし、その後ヒータ駆動電流HDRの増大によって発生した熱の一部は、素子キャリア21上に配置された温度センサ22に伝わり、温度センサ22は素子キャリア21の温度の上昇を感知する。ここで、図2の制御方式では、温度センサ22における温度を一定に保つ温度一定制御を行っているため、温度制御回路34側で素子キャリア21の温度を平常値に保つためにTEC駆動電流TECDRを増大させる。すると、今度はTEC23によるヒータ搭載SOA素子11からの廃熱量が増大するため、微小ヒータ24で発生した熱のより多くの部分がTEC23によってモジュール外に排出されてしまいSOA活性層12の温度は低下する方向に変化する。それに対抗する形で光利得制御回路31のフィードバック制御が働きヒータ駆動電流HDRを増大させSOA活性層12の温度を一定に保持しようとする。結果的に、素子キャリア21の温度を一定に保つ温度制御回路34と出力信号光の強度を一定に保つ光利得制御回路31の制御が重なり、TEC駆動電流TECDRとヒータ駆動電流HDRは共に増大を繰り返す。そして、ヒータ搭載SOA素子11を通過する熱量が増大することで、SOA活性層12の温度と素子キャリア21の温度の乖離が大きくなり、最終的にSOA活性層12の温度と素子キャリア21の温度の両者が設定値になる熱平衡状態に達して収束する。
次にある時間t1で入力信号光の強度が低下した場合について説明する。入力信号光の強度が低下すると、光利得制御回路31が、その変化を検知し、SOA駆動回路32およびヒータ駆動回路33を介して、新しいSOA駆動電流SDRおよびヒータ駆動電流HDRの標準値が設定される。その後、出力信号光Ooutの強度に対するヒータ駆動電流HDRのフィードバック制御によってヒータ駆動電流HDRは減少し、SOA活性層12の温度が低下してSOA光利得が増大するため、出力信号光Ooutの強度は時間ts内に目標光出力レベルに調整される。すると、微小ヒータ24で発生する熱量の減少によって素子キャリア21の温度は低下し、温度制御回路34がそれを検知してTEC駆動電流TECDRを減少させる。この場合も、光利得制御回路31と温度制御回路34の制御が重なり、ヒータ駆動電流HDRとTEC駆動電流TECDRはいずれも減少する方向で変化を繰り返し、やはり最終的にある活性層温度と素子キャリア温度の両者が設定値になる熱平衡状態に達して収束する。
上記の説明のように、図2のヒータ搭載SOA素子11のALC制御方式では、主にヒータ駆動電流HDRのフィードバック制御によりSOA光利得は調整され、出力信号光の強度が常に所望の一定値に保持される。しかし、この方式におけるモジュール全体の消費電力は、入力信号光の強度変動に対してTEC23の消費電力と微小ヒータ24の消費電力が同じ方向に大きく変動するために、入力信号光の強度が大きくSOA光利得を減少させる場合に、TEC23の消費電力と微小ヒータ24の消費電力の両方が大きな値となり、最大消費電力は非常に大きな値となってしまう。モジュールの最大消費電力はヒータ搭載SOA素子11の動作環境温度を決める大きな要因であり、モジュールの最大消費電力が極端に大きくなる場合には、TEC23の排熱効率が低下する高い環境温度下でTEC23の最大排熱量をモジュール消費電力が上回る可能性が高くなり、熱暴走につながりやすい。
以上説明したように、図2のALC制御方式では、入力信号光の強度変動に対するモジュール全体の消費電力の変動が激しくかつその最大値が大きいために、モジュールを運用可能な動作範囲が制限されているのに対し、第1実施形態によるALC制御方式は入力信号光の強度変動に対するモジュール全体の消費電力の変動が小さく、かつその最大値が小さいため、高い環境温度下まで安定してモジュールを動作させることが可能となる。また、第1実施形態では、第1TEC42の放熱面に第2TEC45により温度調節したヒートシンク43を配置したことにより、第1TEC42の排熱効率は環境温度変化に影響を受けず、常に安定したフィードフォワード制御が可能となっている。
図6は、第1実施形態の半導体光増幅器モジュールのALC制御のフローチャートの一例を示す。図6では、第1光利得制御回路61に関わるフィードフォワード制御の流れのみを図示している。
ステップ101で、新しい出力信号光強度の目標値及び信号光波長が設定されると、まず入力光強度信号INPを取り込み、現状の入力信号光の強度と出力信号光強度の目標値から、SOA光利得の目標光利得を算出する。具体的には、目標光利得=出力信号光強度の目標値−現状の入力信号光の強度である。
ステップ102で、第1光利得制御回路61内に記憶した制御テーブルを参照して、現状の入力信号光の強度と出力信号光強度の目標値に適合するSOA駆動電流と第1TEC駆動電流の標準値を読み出す。光利得や目標値が想定使用範囲外の場合にはステップ103に進み、範囲内であればステップ104に進む。
ここで、第1光利得制御回路61内には、事前の測定結果を基に作成された、様々な光利得、光出力目標値に対する、SOA駆動電流と第1TEC駆動電流を記憶した標準値テーブルが記憶されている。図7は、標準値テーブルの例を示す図である。標準値テーブルには、出力信号光強度の目標値に対して十分な飽和光出力と必要な光利得が得られ、かつヒータ搭載SOA素子11周辺に適切な熱分布が生じモジュール全体の消費電力が最適化されるような、SOA駆動電流と第1TEC駆動電流の値が予め設定されている。テーブルはヒータ搭載SOA素子11の諸特性の波長依存性を考慮して信号光波長毎に用意されており、外部から信号光波長が入力されるか、モジュール近傍もしくは内部に設置された波長モニタ機構(図示せず)で検出された信号光波長信号を読み込むかにより、第1光利得制御回路61は入力されている信号光波長に適した標準値をテーブルから読み出す。
ステップ103では、アラームを発出し、SOA駆動電流をゼロに落として信号光を遮断する。
ステップ104では、現在のSOA駆動電流値が、テーブルから読み出した標準値と一致するかを判定し、一致していればステップ106に進み、一致していなければステップ105に進む。
ステップ105では、SOA駆動電流値を、テーブルから読み出した標準値に設定し、ステップ106に進む。
ステップ106では、現在の第1TEC駆動電流値が、テーブルから読み出した標準値と一致するかを判定し、一致していればステップ108に進み、一致していなければステップ107に進む。
ステップ107では、第1TEC駆動電流値を、テーブルから読み出した標準値に設定し、ステップ108に進む。
ステップ108では、出力信号光強度の目標値または波長をさらに更新するかを判定し、更新する場合にはステップ101に戻り、更新しない場合にはステップ109に進む。
ステップ109では、半導体光増幅器モジュールの動作を停止するかを判定し、停止するのであれば終了し、停止しないのであればステップ101に戻る。
従って、動作中はステップ101からステップ109を繰り返し、入力信号光の強度が変動してSOA駆動電流または第1TEC駆動電流を変更する必要が発生した時に、随時変更を行う。
以上説明したように、第1光利得制御回路61では、入力信号光の強度に基づいて、光利得・出力信号光の強度の目標値に対して制御テーブルを参照してSOA駆動電流と第1TEC駆動電流を設定するフィードフォワード制御を行うことにより、常に飽和光出力を十分高い値に保ちながらSOAの光利得制御を行えるだけでなく、入力信号光の強度がある時間安定化し、ヒータ駆動電流も安定する準平衡状態に入った際に、SOA素子周辺の熱分布を最適化し、図2の制御に比べてモジュールの最大消費電力を抑制することが可能となる。また、上記のフィードフォワード制御に関しては、図4に示した様にSOA光モジュール内の入力側光カプラ25とヒータ搭載SOA素子の間に光遅延線55を挿入することで、第1光利得制御回路61の処理時間が原因で生じる入力信号光強度変動タイミングと実際のSOA駆動電流/第1TEC駆動電流の設定値変更タイミングの時間遅延を補正し、入力信号光の強度変動とほぼ同時にSOA駆動電流及び第1TEC駆動電流を変化させて安定化までの時間を短縮する構成が有効である。
上記の第1光利得制御回路61によるフィードフォワード制御と合わせて、第2光利得制御回路65は、独立に出力信号光の強度に対してヒータ駆動電流のフィードバック制御を行う。このフィードバック制御は光出力の目標値と現状の光出力値が一致するように、ヒータ駆動電流を例えば一般的なPID制御を用いて変化させるもので、ヒータ制御の高速性を活かして上記第1光利得制御回路61によるフィードフォワード制御の制御時間の長さを補償し、系全体のALC応答を高速化させる役割を持つ。従って、第1実施形態におけるALC制御は光パス切り替えによる瞬間的かつ大きな入力信号光強度変動と、光パス状態の揺らぎによる様々な時間スケールを持つ小さな入力信号光強度揺らぎの両方に対応して、常に安定した光出力を実現することができる。さらに、第1実施形態では最終的なフィードバック制御をヒータ駆動電流変化を介した素子温度変化によって行うため、ALC制御時の飽和光出力の大きな変動がなく、それによる瞬間的な増幅特性劣化が生じるリスクが小さいため、安定した光増幅特性を実現することができる。
図8および図9は、実際のヒータ搭載SOA素子を備えるモジュールを、第1実施形態と図2のALC制御方式にてそれぞれ動作させた際の特性を示す。いずれの特性もヒートシンク43の温度またはモジュール環境温度が25℃で一定であるとして測定した結果である。図8は、両方式についてALC目標光出力を+7.0dBmに設定した際の、入力信号光の強度変動に対する準平衡状態におけるヒータ駆動電流と第1TEC消費電力の変化を示したものである。
図2の制御方式では入力信号光の強度が高く、ALC制御によりSOA光利得を低下させた状況下において、ヒータによる光出力制御と第1TECによる温度一定制御が拮抗し、ヒータ駆動電力と第1TEC消費電力の両者が増大していくのに対して、第1実施形態によるALC制御方式では入力信号光の強度が高い状況においても第1TEC消費電力の増大は殆ど無く、ヒータで発生した熱がSOA活性層に効率的に作用するため、ヒータ駆動電流も小さい。
図9は、図8と同様にALC制御の目標光出力を+7.0dBmに設定した際の、トータル消費電力(ヒータ駆動電力とTEC駆動電力の和)の入力信号光の強度に対する変動を測定した結果を示す。尚、図8および図9の例では簡単のためSOA駆動電流は400mAで一定としているためトータル消費電力の変動にSOA駆動電流が与える影響はない。図2の制御方式では、図8において見られた入力信号光の強度の高い時の駆動電流上昇によって、トータル消費電力は2W以上に増大し第1TECの最大排熱能力に近いレベルまで達している。一方で第1実施形態におけるALC制御方式では、入力信号光の強度の高い時の消費電力は図2の制御方式に比べて約70%削減されており、入力信号光の強度ダイナミックレンジ11.5dBが得られる入力信号光の強度範囲において最大消費電力は約800mWと第1TECの最大排熱能力に対して余力がある状況となっている。
以上のように、第1実施形態におけるALC制御方式は、入力信号光の強度変動に対するモジュールのトータル消費電力の変動が小さく、その最大値を図2の制御方式に比べて飛躍的に小さく抑えることができる。
以上説明したように、第1実施形態では、ヒータ搭載SOA素子の光利得制御方式として、SOA素子への入力信号光強度をモニタして第1TEC駆動電流およびSOA駆動電流をフィードフォワード制御し、一方で素子の出力信号光強度に対してヒータ駆動電流をフィードバック制御する方式を導入することで、図2に示した制御方式と同等の光利得の高速応答性を確保しながら、課題であったモジュール消費電力の増大を解決し、環境温度変化に対して強固なALC制御機構を実現している。
図10は、第2実施形態の半導体光増幅器モジュールの構造を示す図である。図3と比較して明らかなように、第2実施形態の半導体光増幅器モジュールは、入力第1レンズ49を保持した入力レンズホルダ50および出力第1レンズ51を保持した出力レンズホルダ52が、ガラス材質などの断熱板55および56を介して、第1TEC42上に固定されていることが、第1実施形態と異なる。図10の構成では、第1TEC42のサイズに関係なく、入力第1レンズ49および出力第1レンズ51をヒータ搭載SOA素子11の入射面および出射面の直ぐ近くに配置することが可能で光結合効率の向上が見込まれる。また、入力レンズホルダ50および出力レンズホルダ52は、断熱板55および56によって第1TEC42と熱絶縁されているので、第1TEC42上の熱容量が大きく増加することは無く良好な応答速度を保持可能である。
第1および第2実施形態では、ヒートシンク43の温度を、第2TEC45により外界の温度変化にかかわらず一定に保持して、その上で、SOA素子への入力信号光強度をモニタして第1TEC駆動電流およびSOA駆動電流をフィードフォワード制御し、一方で素子の出力信号光強度に対してヒータ駆動電流をフィードバック制御する、2系統の制御を行う制御方式を適用した。ここで、第1TECが実質的に一定温度に保持される部材に保持されるならば、上記の制御方式が適用可能である。
以上、実施形態を説明したが、SOA光利得制御を実現する構成やその制御フローは上記の限りでなく、他の構成や制御フローによっても同様な光利得制御が実施可能である。また、ヒータ内蔵SOA素子の構造も上記の限りでなく、SOA活性層、クラッド層、電極、ヒータ構造などは多電極分割構造も含めた様々な形態が取りうる。また、ヒータ周囲に溝を形成したり、周囲の熱抵抗を最適化することで上記実施形態よりヒータの熱効率を向上させることも可能である。
さらに、上記の実施形態において、光利得制御回路内のテーブルに格納されたSOA/第1TEC駆動電流の標準値とその変化の様子は、図7に示した限りでなく、モジュール構成や材質、SOA素子の特性によって様々な標準テーブルが作製されうる。
以上説明したように、実施形態によれば、ヒータ搭載SOA素子を備えるモジュールの光利得制御において、モジュールに2段のTECを組み込んだ構造を採用し、SOA駆動電流と第1TEC駆動電流は入力信号光の強度により制御テーブルを参照したフィードフォワード制御とし、ヒータ駆動電流は出力信号光の強度に対するフィードバック制御とした制御方式を採用することで、ヒータ搭載SOA素子を備えるモジュールによるALC動作の利点であった高い飽和光出力を保持した安定なALC動作や光利得応答の高速性に加え、入力信号光の強度変化に対するモジュールの消費電力変動を抑圧しその最大消費電力も大幅に低減させることで、高い環境温度下での動作まで安定に行うことを可能としている。
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
以下、実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
入力信号光を増幅して出力信号光を出力する半導体光増幅器モジュールであって、
半導体光増幅素子と、
前記半導体光増幅素子に搭載されるヒータと、
前記半導体光増幅素子を冷却または加熱する第1熱電冷却素子と、
前記第1熱電冷却素子を搭載するヒートシンクと、
前記ヒートシンクを冷却または加熱する第2熱電冷却素子と、を備えることを特徴とする半導体光増幅器モジュール。
(付記2)
前記ヒータは、前記半導体光増幅素子のSOA活性層の近傍に設けられている付記1に記載の半導体光増幅器モジュール。
(付記3)
前記ヒートシンクに搭載された温度センサと、
前記温度センサの検出する温度に基づいて、前記ヒートシンクの温度が一定になるように、前記第2熱電冷却素子を制御するヒートシンク温度制御回路と、を備える付記1または2に記載の半導体光増幅器モジュール。
(付記4)
前記入力信号光の強度を検出する入力光検出器と、
前記出力信号光の強度を検出する出力光検出器と、
前記入力光検出器の検出する入力信号光の強度および前記出力光検出器の検出する出力信号光の強度に基づいて、前記出力信号光の強度が所定の目標出力強度になるように、前記半導体光増幅素子の駆動電流、前記ヒータの駆動電流および前記第1熱電冷却素子の駆動電流を制御する光出力制御回路と、を備える付記1から3のいずれかに記載の半導体光増幅器モジュール。
(付記5)
前記光出力制御回路は、
前記入力光検出器の検出する前記入力信号光の強度および前記所定の目標出力強度に基づいて、あらかじめ記憶された制御テーブルを参照して前記半導体光増幅素子の駆動電流の目標注入電流および前記第1熱電冷却素子の駆動電流の目標熱電冷却電流を決定し、前記半導体光増幅素子の駆動電流を前記目標注入電流に、前記第1熱電冷却素子の駆動電流を前記目標熱電冷却電流に設定する第1制御回路と、
前記出力光検出器の検出する前記出力信号光の強度が、前記所定の目標出力強度に一致するように、前記ヒータの駆動電流を制御する第2制御回路と、を備える付記4に記載の半導体光増幅器モジュール。
(付記6)
前記入力光検出器を通過して前記半導体光増幅素子に入力する信号光を遅延する信号光遅延信号線を備える付記1から5のいずれかに記載の半導体光増幅器モジュール。
(付記7)
前記ヒータには、所定値以上の駆動電流が常時印加されている付記1から6のいずれかに記載の半導体光増幅器モジュール。
(付記8)
前記入力信号光を前記半導体光増幅器モジュールに入力する入力光ファイバと、
前記出力信号光を前記半導体光増幅器モジュールから出力する出力光ファイバと、
前記入力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第1光学素子と、
前記出力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第2光学素子と、を備え、
前記第1光学素子および前記第2光学素子は、前記第1熱電冷却素子に直接接触していない付記1から7のいずれかに記載の半導体光増幅器モジュール。
(付記9)
前記入力信号光を前記半導体光増幅器モジュールに入力する入力光ファイバと、
前記出力信号光を前記半導体光増幅器モジュールから出力する出力光ファイバと、
前記入力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第1光学素子と、
前記出力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第2光学素子と、を備え、
前記第1光学素子および前記第2光学素子は、前記第1熱電冷却素子に断熱材を介して接触している付記1から7のいずれかに記載の半導体光増幅器モジュール。
(付記10)
半導体光増幅素子と、
前記半導体光増幅素子に搭載されるヒータと、
前記半導体光増幅素子を搭載する熱電冷却素子と、
入力信号光の強度変動に応じて、前記半導体光増幅素子の駆動電流を供給する半導体光増幅素子駆動回路および前記熱電冷却素子の駆動電流を供給する熱電冷却素子駆動回路を制御する第1の光利得制御回路と、
出力信号光の強度変動に応じて、前記ヒータの駆動電流を供給するヒータ駆動回路を制御する第2の光利得制御回路と、を備えることを特徴とする半導体光増幅器モジュール。
(付記11)
前記熱電冷却素子は、一定温度に保持される部材に保持される付記10に記載の半導体光増幅器モジュール。
(付記12)
半導体光増幅素子と、前記半導体光増幅素子に搭載されるヒータと、前記半導体光増幅素子を搭載する熱電冷却素子と、を備え、入力信号光を増幅して出力信号光を出力する半導体光増幅器モジュールの制御方法であって、
前記半導体光増幅素子の駆動電流および前記第1熱電冷却素子の駆動電流を、検出した入力信号光の強度および所定の目標出力強度に基づいて制御テーブルから決定した目標注入電流および目標熱電冷却電流に設定する第1制御と、
検出した出力信号光の強度が、前記所定の目標出力強度に一致するように、前記ヒータの駆動電流を制御する第2制御と、を並行して行うことを特徴とする半導体光増幅器モジュールの制御方法。
(付記13)
前記熱電冷却素子を保持する筐体を、一定温度に保持する第3制御を並行して行う付記12に記載の半導体光増幅器モジュールの制御方法。