JP6000494B1 - 温度制御回路、送信器および温度制御方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の温度制御回路1は、LD2の温度を検出する温度検出器5と、LD2の温度を制御するTEC4と、温度検出器5により検出されたLD2の温度と目標温度とに基づいてTEC4に流す電流量を算出する電流算出回路6と、電流算出回路6により算出された電流量に基づいてTEC4に流す電流を制御する電流制御回路7と、LDシャットダウンが解除されている期間では、第1の目標温度を目標温度として設定し、LDシャットダウンの開始から一定時間が経過するまでの間、第1の目標温度から第1の目標温度より低い第2の目標温度までの間で目標温度が単調減少するように目標温度を設定し、LDシャットダウンの開始からの経過時間が一定時間以上となると第2の目標温度を目標温度として設定する目標温度算出回路8と、を備える。
Description
本発明は、レーザダイオードの温度を制御する温度制御回路、送信器および温度制御方法に関する。
近年、光通信の伝送容量の大容量化が求められている。光通信の伝送容量増大のために検討されている手法として、複数の波長の光信号を一本の光ファイバで伝送する波長多重(Wavelength Division Multiplex:WDM)または時間波長分割多重(Time Wavelength Division Multiplex:TWDM)がある。波長多重を用いた伝送方式では、光送信器における出力光の波長安定性を高めることが非常に重要である。一方で、光送信器に使用されるLD(Laser Diode:レーザダイオード)素子は、動作温度に依って出力光の波長が変動する。そのため、波長多重を用いた伝送を行う際は、LD温度すなわちLDの温度を安定させることにより出力光の波長を一定とする、高精度なLD温度一定制御が必要となる。
しかし、LDを駆動する電流が瞬時的に変化し発熱量が変わった際にLD温度一定制御の応答が追いつかないと、LD温度が変動し、出力光の波長が所望の波長範囲からずれてしまう。特に光通信ではLDの光出力をオフにするLDシャットダウン機能すなわち発光停止機能を用いて、伝送路上で障害が発生した場合などにシステムからの指令に基づきLDシャットダウン動作を実施する。このため、光通信では、LD電流の急激な変動が起こりやすい。特に、次世代光アクセスシステムとして議論されているTWDM−PON(Passive Optical Network)では送信器をバースト的すなわち間欠的に駆動するためLDシャットダウン動作が頻繁に行われる。
温度変動によりLDの発振波長が所望範囲からずれることを防ぐため、特許文献1では、LDシャットダウン時にはLDの温度を下げる制御を行う手法が提案されている。
しかしながら、上記従来の技術によれば、LDシャットダウン時には、目標温度を一定量下げてLDの温度制御を行うことにより、LDシャットダウン時のLDの発振波長ずれを抑制している。このため、短い期間のLDシャットダウンが連続して指示されるとLDの温度制御の目標温度の急な変更が頻繁に行われることになり、波長変動を発生させる要因となる可能性がある。また、LDシャットダウンとLDシャットダウンの解除との間の高速な切替えに応じて目標温度を切り替えることで、レーザダイオードの温度を調整するための熱電素子へ流れる電流を制御する回路が発振する可能性があったり、熱電素子に大電流が流れ続けたりする可能性があるという問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、LDシャットダウン動作によるLDの発振波長ずれを低減することができる温度制御回路、送信器および温度制御方法を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の温度制御回路は、レーザダイオードの温度を検出する温度検出器と、流れる電流量に応じた吸排熱を行うことによりレーザダイオードの温度を制御する熱電素子と、を備える。また、この温度制御回路は、温度検出器により検出されたレーザダイオードの温度と目標温度とに基づいて熱電素子に流す電流量を算出する電流算出部と、電流算出部により算出された電流量に基づいて熱電素子に流す電流を制御する電流制御部と、を備える。また、この温度制御回路は、レーザダイオードを発光停止状態とするか否かを示す発光停止信号に基づいてレーザダイオードの発光停止状態が解除されている期間では、第1の目標温度を目標温度として設定し、発光停止信号がレーザダイオードの発光停止状態の開始から一定時間が経過するまでの間、第1の目標温度から第1の目標温度より低い第2の目標温度までの間で目標温度が単調減少するように目標温度を設定し、発光停止信号がレーザダイオードの発光停止状態の開始からの経過時間が一定時間以上となると第2の目標温度を目標温度として設定する目標温度算出部、を備え、一定時間は、レーザダイオードの発光停止状態の継続時間とレーザダイオードの光発振波長の波長変動量との関係に基づいて算出される。
本発明にかかる温度制御回路は、LDシャットダウン動作によるLDの発振波長ずれを低減することができるという効果を奏する。
以下に、本発明の実施の形態にかかる温度制御回路、送信器および温度制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる光送信器の構成例を示すブロック図である。本実施の形態の光送信器100は、発光素子であり光信号を出力するLD(Laser Diode:レーザダイオード)2と、LD2を駆動するためのLDドライバ3と、LD2の温度を制御する温度制御回路1とを備える。温度制御回路1は、TEC(ThermoElectric Coolers)4、温度検出器5、電流算出回路6、電流制御回路7および目標温度算出回路8を備える。TEC4は、電流制御により吸排熱を行うことによりLD2の温度を変化させる熱電素子である。温度検出器5は、LD2の温度を検出する温度センサである。温度検出器5としては、例えば、熱電対、側温抵抗体、サーミスタ、IC(Integrated Circuit)温度センサ等を用いることができる。電流算出回路6は、温度検出器5で検出される温度と目標温度とに基づいてTEC4に流す電流量および向きを算出する電流算出部である。電流制御部である電流制御回路7は、電流算出部6で算出された電流量および向きに基づいてTEC4に流す電子回路である。目標温度算出回路8は、発光停止信号であるLDシャットダウン信号に基づいて電流算出回路6に設定する目標温度を算出する目標温度算出部である。LDシャットダウン信号は、光送信器100の外部から入力される信号であり、LD2の光出力をシャットダウン状態すなわち発光停止状態とするか否かを指示する信号である。なお、ここではTEC4を例に説明するが、熱電変換を行う素子であればどのような素子を用いてもよい。
図1は、本発明の実施の形態1にかかる光送信器の構成例を示すブロック図である。本実施の形態の光送信器100は、発光素子であり光信号を出力するLD(Laser Diode:レーザダイオード)2と、LD2を駆動するためのLDドライバ3と、LD2の温度を制御する温度制御回路1とを備える。温度制御回路1は、TEC(ThermoElectric Coolers)4、温度検出器5、電流算出回路6、電流制御回路7および目標温度算出回路8を備える。TEC4は、電流制御により吸排熱を行うことによりLD2の温度を変化させる熱電素子である。温度検出器5は、LD2の温度を検出する温度センサである。温度検出器5としては、例えば、熱電対、側温抵抗体、サーミスタ、IC(Integrated Circuit)温度センサ等を用いることができる。電流算出回路6は、温度検出器5で検出される温度と目標温度とに基づいてTEC4に流す電流量および向きを算出する電流算出部である。電流制御部である電流制御回路7は、電流算出部6で算出された電流量および向きに基づいてTEC4に流す電子回路である。目標温度算出回路8は、発光停止信号であるLDシャットダウン信号に基づいて電流算出回路6に設定する目標温度を算出する目標温度算出部である。LDシャットダウン信号は、光送信器100の外部から入力される信号であり、LD2の光出力をシャットダウン状態すなわち発光停止状態とするか否かを指示する信号である。なお、ここではTEC4を例に説明するが、熱電変換を行う素子であればどのような素子を用いてもよい。
温度制御回路1を構成する各回路のうち電流算出回路6および目標温度算出回路8は、それぞれが電子回路として構成されてもよいし、これらのうち1つ以上がMCU(Micro Controller Unit)、多機能IC等の制御回路として実装されてもよい。
電流算出回路6および目標温度算出回路8が上記のように制御回路として実装される場合、この制御回路は、例えば図2に示す構成を有する。図2は、制御回路200の構成例を示す図である。制御回路200は、外部から入力されたデータを受信する受信部である入力部201と、プロセッサ202と、メモリ203と、データを外部へ送信する送信部である出力部204とを備える。入力部201は、制御回路200の外部から入力されたデータを受信してプロセッサ202に与えるインターフェース回路であり、出力部204は、プロセッサ202又はメモリ203からのデータを制御回路200の外部に送るインターフェース回路である。電流算出回路6および目標温度算出回路8のうち1つ以上が制御回路200により実現される場合、制御回路200により実現される各回路は、プロセッサ202がメモリ203に記憶された各々に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ203は、プロセッサ202が実施する各処理における一時メモリとしても使用される。
次に、本実施の形態の温度制御回路1の動作について説明する。まず、温度検出器5は、LD2の温度を検出する。電流算出回路6は、温度検出器5により検出されたLD2の温度を用いて、LD2の温度を、目標温度算出回路8により設定された目標温度に近づけるようにTEC4に流す電流の電流量と向きを算出する。電流算出回路6は、例えば、保持している温度変化量と電流量との対応に基づいて目標温度とLD2の温度との温度差を打ち消すために必要な電流量および向きを求める。
図3は、本実施の形態の電流算出回路6における処理手順の一例を示すフローチャートである。図3に示すように、電流算出回路6は、検出された温度、すなわち温度検出器5により検出されたLD2の温度と目標温度との差ΔKdiffを算出する(ステップS101)。次に、電流算出回路6は、ΔKdiffが0より大きいか否かを判断する(ステップS102)。ΔKdiffが0より大きい場合(ステップS102 Yes)、電流算出回路6は、電流の向きを冷却の向き、すなわちTEC4が冷却を行う電流の向きに決定し、保持している温度変化量と電流量との対応に基づいてΔKdiffの温度変化量に対応する電流量、すなわち温度変化量がΔKdiffである場合に対応する電流量を算出する(ステップS103)。なお、電流算出回路6は、内部または外部のメモリに温度変化量と電流量との対応を例えばテーブルとして保持している。図4は、温度変化量と電流量との対応を示すテーブルの一例を示す図である。なお、温度変化量と電流量との対応はテーブルにより保持される替わりに、計算式により保持されてもよい。すなわち電流量を温度変化量の関数としてあらかじめ定めておき、この関数を電流算出回路6に設定しておくことにより、温度変化量と電流量との対応が保持されるようにしてもよい。また、TEC4は、冷却を行う場合に印加すべき電流の向きと加熱を行う場合に印加すべき電流の向きが逆である。したがって、電流算出回路6は、冷却が必要かまたは加熱が必要かのどちらであるかに応じて、TEC4に印加する電流の向きを決定する。
電流算出回路6は、決定した電流の向きと算出した電流量とを電流制御回路7へ入力し(ステップS104)、処理を終了する。また、ステップS102で、ΔKdiffが0以下である場合(ステップS102 No)、電流算出回路6は、電流の向きを加熱の向き、すなわちTEC4が加熱を行う電流の向きに決定し、保持している温度変化量と電流量との対応に基づいてΔKdiffの温度変化量に対応する電流量、すなわち温度変化量がΔKdiffである場合に対応する電流量を算出し(ステップS105)、ステップS104へ進む。なお、温度変化量と電流量との対応の保持方法は、ステップS102と同様である。加熱の場合と冷却の場合とで同じテーブルまたは計算式を用いてもよいし、加熱の場合と冷却の場合とでそれぞれ個別のテーブルまたは計算式を用いてもよい。
電流制御回路7は、電流算出回路6により算出された電流量と向きに基づいてTEC4に電流を流す。目標温度算出回路8は、LDシャットダウン信号に基づいて電流算出回路6へ目標温度を設定する。目標温度算出回路8は、LDシャットダウン信号に基づいて、LDシャットダウンが解除されている間はLDシャットダウン解除時用の目標温度を電流算出回路6へ設定し、LDシャットダウンが指示されている間は、後述するLDシャットダウン時の目標温度を算出し、算出した目標温度を電流算出回路6へ設定する。LDシャットダウン解除時用の目標温度は、LD2の光発振波長を所望の波長範囲に収められるような温度であれば、どのように設定されてもよい。
次に、本実施の形態のLDシャットダウン時の目標温度の算出方法について説明する。まず、LDシャットダウン信号とLD2から出力される光信号の波長すなわち光発振波長の関係について説明する。LD2の温度を固定の目標温度に制御する例を仮定する。この場合、LDシャットダウン期間すなわちLD2の発光停止期間では、LD2の駆動電流が減少するためLD2の発熱量が下がり、LD2の温度が下がる。このため、LDシャットダウン解除時には、上記の低下した温度を目標温度に回復させるためにTEC4に流す電流が増加する。これにより、LD2の温度が一時的に上昇し、LD2の温度上昇により、LD2の光発振波長が変化する。
図5は、温度一定制御を行った場合のLDシャットダウン信号と光発振波長の変動の一例を示す図である。図5では、温度一定制御すなわちLDシャットダウン時とLDシャットダウン時で目標温度を同一とした制御を行う場合の、LDシャットダウン信号と光発振波長の変動の様子を示している。図5の上段には、LDシャットダウン信号を示し、図5の下段には、LD2から出力される光信号の波長すなわちLD2の光発振波長を示している。LDシャットダウン信号は、光送信器100の外部から入力される信号であり、図5に示すように、LDシャットダウンを行うことが指示されている間すなわちLD2の発光停止が指示されている間は、LDシャットダウン信号はHighの値となる。また、LDシャットダウンの解除が指示されている間すなわちLD2の発光が許可されている間は、LDシャットダウン信号はLowの値となる。
なお、図5に示す信号の値とLDシャットダウンが指示されているか解除されているかとの対応は一例であり、LDシャットダウンが指示されているか解除されているか、すなわちLDシャットダウンが有意であるか否かを示す具体的な信号の値は、図5の例に限定されない。例えば、LDシャットダウン信号がLowのときに、LDシャットダウンが指示され、信号がHighのときにLDシャットダウンが解除されるように構成してもよい。以下では、図5に示した例と同様に、LDシャットダウン信号がHighのときに、LDシャットダウンが指示され、信号がLowのときにLDシャットダウンの解除が指示されることを前提として説明する。
図5に示すように、LDシャットダウン信号がLowからHighに変化すると、LDドライバ3は、LD2の発光を停止させる。以下、LDシャットダウン信号がLowからHighに変化することを、適宜、LDシャットダウン開始と表現する。また、LDシャットダウン信号がHighからLowに変化することを、適宜、LDシャットダウン終了と表現する。図5では、LDシャットダウン開始からLDシャットダウン終了までの時間が異なる2種類のケースのLD2から出力される光波長の変動を示している。図5では、上記の2種類のケースを第1のケースおよび第2のケースとするとき、第1のケースおよび第2のケースの両ケースのLDシャットダウン開始の時刻をT1としている。第1のケースでは、LDシャットダウン終了の時刻はT2であり、第2のケースでは、LDシャットダウン終了の時刻はT3である。T1からT2までの期間は、T1からT3までの期間より短い。すなわち、第2のケースは、LDシャットダウンの継続時間が第1のケースより長い。
図5の下段の光発振波長300は、LDシャットダウン開始前のLD2の光発振波長を示している。図5の例では、LDシャットダウン開始前では、LD2の光発振波長は安定的に制御されており、LDシャットダウン開始前のLD2の光発振波長は、第1のケースおよび第2のケースで同じであるとする。図5の下段の光発振波長301は、第1のケースに対応する、LDシャットダウン終了後のLD2の光発振波長を示す。図5の下段の光発振波長302は、第2のケースに対応する、LDシャットダウン終了後のLD2の光発振波長を示す。図5に示すように、LDシャットダウンの継続時間が第1のケースより長い第2のケースでは、LDシャットダウン開始前の光発振波長からの波長変動量が、第1のケースの波長変動量より大きくなっていることがわかる。これは、LDシャットダウン期間が長いほど、LD2の温度低下量が大きく、LDシャットダウン終了後にTEC4に流れる電流が大きくなるためである。
図6は、LDシャットダウン長とLD2の光発振波長の波長変動量の関係の一例を示す図である。ここでは、図5の例と同様に、温度一定制御を行う場合の、LDシャットダウン長すなわちLDシャットダウンの継続時間とLD2の光発振波長の波長変動量を示している。なお、図5に示すように、LD2の光発振波長は、LDシャットダウン終了時から増加側に変化した後に減少している。図6では、LDの光波長の変動量として、最大の変動量すなわち図5の光発振波長301,302で示した山の頂点に相当する量を示している。図6の横軸はLDシャットダウン長を示し、縦軸は、LD2の光発振波長の波長変動量すなわちLDシャットダウン開始前のLD2の光発振波長からのずれ量を示している。図6に示すように、LDシャットダウン長が長くなるにつれてLD2の光発振波長の波長変動量は増加するが、LDシャットダウン長がある程度以上長くなると波長変動量の増加率は減少し一定値に収束する。この一定値を波長変動量の最大値λmaxとする。すなわち、LDシャットダウン長に対する光発振波長の波長変動量の変化量が閾値未満となる値がλmaxである。なお、この閾値は収束を判定するための値であり、設計者が収束と判定する設計値よりも小さい値であれば良い。例えば、波長変動量の変化量を、単位時間あたりの波長変動量の変化量の絶対値の変化前の波長変動量に対する比で定義する場合、すなわち、時刻trefの波長変動量をrrefとし、時刻trefから単位時間tunit後の波長変動量をrref ´ととし、波長変動量の変化量を|rref ´−rref|/rrefと定義するとき、上記の閾値は0.001を設定しておく。なお、閾値の定義方法および閾値の具体的な値はこの例に限定されない。一方、光送信器100において許容される波長変動量が定められていることがある。この場合の許容される波長変動量すなわち許容変動量をλaとする。
LDドライバ3は、LD2を発光させている間はLD駆動電流を供給しているが、LDシャットダウンが指示されるとLD2の発光を停止させるためLD駆動電流が減少する。これによりLDシャットダウン開始後はLD2の温度が低下する。一方、LDシャットダウン中のLD駆動電流は低いままで変化しないためLD2の温度はLDシャットダウン開始から時間が経過するにつれて定常状態に近づき、温度変化が緩やかになる。このため、図6に示すように、LDシャットダウン長がある程度以上長くなると波長変動量のLDシャットダウン長に対するLD2の変化量は減少し、波長変動量は一定値に近づく。
本実施の形態では、図6に示す温度一定制御を行う場合のLDシャットダウン長とLD2の光発振波長の波長変動量の関係を、測定または設計値に基づく計算測定に基づいて予め求めておく。そして、図6に示す関係を用いて、波長変動量がΔλ=λmax−λa以上となる最小のLDシャットダウン長であるTspanを算出しておく。なお、λaは0であってもよく、この場合、Tspanは、波長変動量がλmaxとなる最小のLDシャットダウン長となる。
すなわち、LDシャットダウン長に対するLD2の光発振波長の波長変動量の変化量が閾値未満となる最小のLDシャットダウン長を第1の波長変動量とするとき、一定時間であるTspanは、第1の波長変動量から許容変動量を減じた値である第2の波長変量に対応するLDシャットダウン長である。なお、第1の波長変動量は、LDシャットダウンの継続時間であるLDシャットダウン長とLD2の光発振波長の波長変動量との関係を用いて算出される。
図7は、温度一定制御時に、LDシャットダウン長をTspanとした場合のLD2の光発光波長の変化の一例を示す図である。図7の上段は、LDシャットダウン信号を示し、下段は、LD2の光発振波長を示す。温度一定制御を行う場合に、LDシャットダウン長がTspanであると、LDシャットダウン終了時の波長変動量は図7に示すようにΔλとなる。
本実施の形態では、以上に述べたLDシャットダウン長とLD2の光発振波長の波長変動量の関係、およびLD2の温度とLD2の光発振波長の波長変動量との関係を用いて、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspanとなるまでの間は、線形的に電流算出回路6に設定する目標温度を低下させる。以下、本実施の形態の目標温度算出回路8におけるLDシャットダウン開始後の目標温度の算出方法について説明する。
図8は、LD2の温度とLD2の光発振波長との関係の一例を示す模式図である。なお、図8では、LD2の温度とLD2の光発振波長との関係を線形として記載しているが、LD2の温度とLD2の光発振波長との関係は線形でなくてもよい。本実施の形態では、目標温度算出回路8が、LD2の温度とLD2の光発振波長との関係をテーブルまたは近似式等により温度波長特性として保持している。または、本実施の形態では、後述するように、Δλに対応する温度変化量を求めればよいため、目標温度算出回路8は、Δλが固定である場合には、Δλに対応する温度変化量だけを保持していてもよい。
目標温度算出回路8は、Δλと温度波長特性とに基づいて、LDシャットダウンの間に目標温度を低下させる温度変化量であるΔKを算出する。なお、ΔKは温度変化量の絶対値である。具体的には、目標温度算出回路8は、Δλに対応する温度変化量を、温度波長特性を用いて算出し、ΔKとする。Δλは、上述したようにλmax−λaである。目標温度算出回路8は、算出したΔKを用いて、LDシャットダウン開始から、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspanとなるまでの間は、ΔK/Tspanの傾きで温度を下げていき、LDシャットダウン開始からTspan以上経過した期間では、目標温度を一定値とする。図6で説明したように、LDシャットダウンの継続時間がTspan以上では、LD2の温度変化は少なく、光発振波長が変動したとしてもその変動量はλaであり許容される波長変動量以下となる。このため、Tspan以上では目標温度を一定値とする。
すなわち、目標温度算出回路8は、LDシャットダウンの開始からの経過時間がTspanを経過するまでの間、第1の目標温度から第2の目標温度を減じた値をTspanで除した値を傾きとして目標温度を線形に減少させる。
なお、ここでは、ΔλからΔKを算出するようにしたが、温度波長特性を近似すれば、一度Δλに基づいてΔKを算出しておけば、その後はΔKを固定値として用いることもできる。
図9は、LDシャットダウンの間に目標温度算出回路8が算出する目標温度の一例を示す図である。図9の上段には、LDシャットダウン信号を示し、図9の下段には、目標温度算出回路8が算出した目標温度を示している。図9に示すように、目標温度算出回路8は、LDシャットダウン開始から、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspanとなるまでの間は、ΔK/Tspanの傾きで目標温度を下げる。LDシャットダウン開始の目標温度すなわちLDシャットダウン解除時用の目標温度を第1の目標温度とし、tをLDシャットダウン開始からの経過時間とするとき、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspanとなるまでの間の目標温度は、「第1の目標温度−(ΔK/Tspan)×t」となる。LDシャットダウン開始からTspan以上経過すると、第2の目標温度である一定値「第1の目標温度−ΔK」とする。
図9の例では、LDシャットダウンの継続時間がTspanより長い例を示しているが、上述したように、LDシャットダウンの継続時間がTspanより短い場合には、LDシャットダウンが解除されるとその時点で、目標温度はLDシャットダウン解除時用の目標温度に変更される。
また、上述した第1の目標温度および第2の目標温度は、第1の目標温度に対応するLD2の光発振波長と第2の目標温度に対応する光発振波長とがいずれも、光送信器100における所望の波長範囲に収まるよう決定されることが望ましい。具体的には、まず、図6に示した特性からΔKの概略値を求めることができる。そして、ΔKに対応するLD2の光発振波長の変動量を図8に示す特性から求めることができる。したがって、例えば、所望の波長範囲の下限より上となる波長に対応する温度を第2の目標温度とする。そして、第2の目標温度にΔKを加えた値を第1の目標温度とする。このようにして定めた第1の目標温度に対応する波長が所望の波長範囲に収まっていればよい。第1の目標温度に対応する波長が所望の波長範囲を超えた場合には、第2の目標温度を所望の波長範囲の下限より上となる波長に対応する温度より上となる範囲で下げる。このようにして、第1の目標温度に対応するLD2の光発振波長と第2の目標温度に対応する光発振波長とがいずれも、光送信器100における所望の波長範囲に収まるように第1の目標温度および第2の目標温度を決定する。
図10は、本実施の形態の目標温度算出回路8における目標温度算出手順の一例を示すフローチャートである。なお、図10のフローチャートの開始時点では、LDシャットダウン信号は、LDシャットダウン解除すなわちLowを示す値であり、電流算出回路6にはLDシャットダウン解除用の目標温度が設定されているとする。まず、目標温度算出回路8は、LDシャットダウン信号が無意の値すなわちLowから有意の値すなわちHighに変化したか否かを判断する(ステップS1)。LDシャットダウン信号は無意の値から有意の値に変化した場合(ステップS1 Yes)、目標温度算出回路8は、Δλと温度波長特性とに基づいてΔKを算出する(ステップS2)。目標温度算出回路8は、LDシャットダウン信号が有意の値から無意の値に変化したか否かを判断する(ステップS3)。LDシャットダウン信号が有意の値から無意の値に変化していない場合(ステップS3 No)、目標温度算出回路8は、LDシャットダウン信号が無意の値から有意の値に変化した時点からTspan経過したか否かを判断する(ステップS4)。
LDシャットダウン信号が無意の値から有意の値に変化した時点からTspan経過していない場合(ステップS4 No)、−ΔK/Tspanの傾きで目標温度を変化させる、すなわちΔK/Tspanの傾きで目標温度を減少させるよう目標温度を算出し、算出した目標温度を電流算出回路6へ出力する(ステップS5)。これにより、電流算出回路6に目標温度が設定される。その後、目標温度算出回路8は、ステップS3へ戻る。
ステップS1で、LDシャットダウン信号は無意の値から有意の値に変化していない場合(ステップS1 No)、目標温度算出回路8は、LDシャットダウン解除用の目標温度を電流算出回路6へ出力し(ステップS6)、ステップS1へ戻る。ステップS3で、LDシャットダウン信号は有意の値から無意の値に変化と判断した場合(ステップS3 Yes)、ステップS6へ進む。ステップS4で、LDシャットダウン信号が無意の値から有意の値に変化した時点からTspan経過したと判断した場合(ステップS4 Yes)、目標温度算出回路8は、目標温度を一定とするよう目標温度を算出して、算出した目標温度を電流算出回路6へ出力し(ステップS7)、ステップS3へ戻る。ステップS7では、具体的には、目標温度算出回路8は、上述したように、目標温度を「第1の目標温度−ΔK」とする。
次に、本実施の形態の効果について説明する。本実施の形態のLDシャットダウン時の目標温度の設定を適用せずに、LDシャットダウン時にもLDシャットダウン解除時にも同じ目標温度を用いて温度一定制御を行った場合、LDシャットダウンが解除されると、LDに急激にLD駆動電流が流れることにより、LDの温度が急激に上昇し、LDの波長が大きくずれ、所望の波長範囲から外れてしまう可能性がある。
また、LDシャットダウン時に、LDシャットダウン解除時の目標温度から一定量温度を低下させた温度を目標温度に用いる場合、LDシャットダウンの継続時間が長く、LDシャットダウンの指示が低頻度である場合には、LDの光発振波長の変動量を抑えることができる。一方で、継続期間の時間の短いLDシャットダウンが高頻度で行われる場合には、LDの温度制御の目標温度の急な変更が頻繁に行われることになり、TECに流れる電流とLDの光発振波長が頻繁に変動する不安定な動作となる可能性がある。
これに対し、本実施の形態では、LDシャットダウンの継続時間が長い場合には、図11に示すように、LD2の光発振波長を所望の波長範囲に収めることができるとともに、継続期間の時間の短いLDシャットダウンが高頻度で行われる場合においても、図12に示すように、LD2の光発振波長を所望の波長範囲に収めることができる。
図11は、LDシャットダウンの継続時間が長い場合の本実施の形態のLD2の光発振波長の変動の一例を示す図である。図11では、1段目にLDシャットダウン信号を示し、2段目にLD温度すなわちLD2の温度と電流算出回路6に設定される目標温度とを示し、3段目にはLD2の光発振波長を示し、4段目にはTEC電流量すなわちTEC4を流れる電流量を示している。図11に示すように、本実施の形態では、電流算出回路6に設定される目標温度を、LDシャットダウン開始から徐々に低下させているため、LDシャットダウン開始前後でTEC4を流れる電流の急激な変化がない。図11の例では、第1の目標温度と第2の目標温度すなわち「第1の目標温度−ΔK」とが、いずれも光送信器100における所望の波長範囲に収まるよう決定されるとする。また、LDシャットダウン終了時には、LD2の温度が、LDシャットダウン開始の温度より低い状態となっているため、LDシャットダウン終了時に目標温度が変更されてLD2の温度が上昇しても、LD2の光発振波長を所望の波長範囲に収めることができる。
図12は、継続期間の時間の短いLDシャットダウンが高頻度で行われる場合の本実施の形態のLD2の光発振波長の変動の一例を示す図である。図12では、1段目にLDシャットダウン信号を示し、2段目にLD温度すなわちLD2の温度と電流算出回路6に設定される目標温度とを示し、3段目にはLD2の光発振波長を示し、4段目にはTEC電流量すなわちTEC4を流れる電流量を示している。図12に示すように、本実施の形態では、電流算出回路6に設定される目標温度を、LDシャットダウン開始から徐々に低下させ、LDシャットダウンが解除され次第、目標温度を元に戻す、すなわち目標温度をLDシャットダウン開始前の目標温度に設定しているため、継続期間の時間の短いLDシャットダウンが行われた場合の目標温度の変化が少なくTEC4の電流量の変動も少なくLD2の光発振波長の変動も少ない。このように、本実施の形態では、TEC4に大電流が流れ続けたりすることなく、安定して光発振波長を所望の波長範囲に収めることができる。
以上のように、本実施の形態では、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspanとなるまでの間は、線形的に電流算出回路6に設定する目標温度を低下させ、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspan以上となると目標温度を一定する制御を行うようにした。このため、継続期間の時間の短いLDシャットダウンが高頻度で行われる場合であっても、LD2の光発振波長の変動を抑えることができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspanとなるまでの間は、線形的に電流算出回路6に設定する目標温度を低下させたが、図6に示すように、シャットダウン信号と光発振波長との関係は実際には非線形である。このため、実施の形態2では、図6に示す測定または設計によるシャットダウン信号と光発振波長との関係を非線形近似式により近似する。本実施の形態の光送信器100の構成は、実施の形態1の光送信器100と同様である。以下、実施の形態1と異なる点について説明する。
実施の形態1では、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspanとなるまでの間は、線形的に電流算出回路6に設定する目標温度を低下させたが、図6に示すように、シャットダウン信号と光発振波長との関係は実際には非線形である。このため、実施の形態2では、図6に示す測定または設計によるシャットダウン信号と光発振波長との関係を非線形近似式により近似する。本実施の形態の光送信器100の構成は、実施の形態1の光送信器100と同様である。以下、実施の形態1と異なる点について説明する。
図6に示すように、LDシャットダウン長が0からTspanとなるまでの間のLD2の光発振波長の変化は非線形に変化する。このため、本実施の形態では、図6に示すLDシャットダウン長とLD2の光発振波長の変動量との関係のLDシャットダウン長が0からTspanまでの領域内の測定点または計算点を複数点とり、この複数点をあらかじめ非線形近似式例えば2次以上の多項式近似式等により近似しておく。具体的には、光発振波長の変動量Δλ’を、LDシャットダウン信号が有意の値に変化した時点からの経過時間tの関数である非線形近似式を定めておく。目標温度算出回路8は、この非線形近似式を保持する。
図13は、本実施の形態の目標温度算出回路8における目標温度算出手順の一例を示すフローチャートである。目標温度算出回路8は、LDシャットダウン信号は無意の値から有意の値に変化したか否かを判断する(ステップS1)。LDシャットダウン信号は無意の値から有意の値に変化した場合(ステップS1 Yes)、目標温度算出回路8は、LDシャットダウン信号は有意の値から無意の値に変化したか否かを判断する(ステップS3)。LDシャットダウン信号が有意の値から無意の値に変化していない場合(ステップS3 No)、目標温度算出回路8は、LDシャットダウン信号が無意の値から有意の値に変化した時点からTspan経過したか否かを判断する(ステップS4)。
LDシャットダウン信号が無意の値から有意の値に変化した時点からTspan経過していない場合(ステップS4 No)、目標温度算出回路8は、LDシャットダウン信号が有意の値に変化した時点からの経過時間tと非線形近似式に基づいてΔλ’を求める(ステップS21)。そして、目標温度算出回路8は、Δλ’と温度波長特性とに基づいてΔλ’に対応するΔK’を求め、LDシャットダウン解除用の目標温度からΔK’を減算した値を目標温度として電流算出回路6へ出力し(ステップS22)、ステップS3へ戻る。
ステップS1で、LDシャットダウン信号は無意の値から有意の値に変化していない場合(ステップS1 No)、目標温度算出回路8は、LDシャットダウン解除用の目標温度を電流算出回路6へ出力し(ステップS6)、ステップS1へ戻る。ステップS3で、LDシャットダウン信号は有意の値から無意の値に変化と判断した場合(ステップS3 Yes)、ステップS6へ進む。ステップS4で、LDシャットダウン信号が無意の値から有意の値に変化した時点からTspan経過したと判断した場合(ステップS4 Yes)、目標温度算出回路8は、目標温度を一定とするよう目標温度を算出して、算出した目標温度を電流算出回路6へ出力し(ステップS7)、ステップS3へ戻る。なお、ステップS7で設定する目標温度は、実施の形態1と同様である。
以上のように、本実施の形態の目標温度算出回路8は、LDシャットダウン長とLD2の光発振波長の波長変動量との関係を非線形近似により近似した近似式を保持し、LDシャットダウンの開始からTspan経過するまでの間、LDシャットダウンの開始からの経過時間と近似式とに基づいて波長変動量を求め、求めた波長変動量に対応する温度変化量を算出し、電流算出回路6へ設定する目標温度を第1の目標温度から温度変化量を減じた値として算出する。
図14は、本実施の形態の目標温度算出処理により算出された電流算出回路6へ設定される目標温度の一例を示す図である。図14の上段には、LDシャットダウン信号を示し、図14の下段には、電流算出回路6へ設定される目標温度305を示している。実施の形態1では目標温度がLDシャットダウン開始後から線形に変化していたのに対し、本実施の形態では図14に示すように、LDシャットダウン開始後から非線形に変化する。これにより、シャットダウン開始後の光発振波長の変動量に対応する目標温度の低下量を実施の形態1より正確に求めることができ、シャットダウン継続時間が短いときの光発信波長の変動を低減することができる。以上述べた以外の本実施の形態の動作は、実施の形態1と同様である。
実施の形態1では、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspanとなるまでの間、線形に電流算出回路6へ設定される目標温度を減少させ、本実施の形態では非線形に電流算出回路6へ設定される目標温度を減少させる例を説明した。すなわち、線形であるか非線形であるかにかかわらず、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspanとなるまでの間、第1の目標温度から第2の目標温度まで単調減少させるように電流算出回路6へ設定される目標温度を決定すればよい。すなわち、実施の形態1および実施の形態2の目標温度算出回路8は、LDシャットダウンが解除されている期間では、第1の目標温度を前記目標温度として設定し、LDシャットダウンの開始から一定時間が経過するまでの間、第1の目標温度から第1の目標温度より低い第2の目標温度までの間で前記目標温度が単調減少するように目標温度を設定し、LDシャットダウンの開始からの経過時間が一定時間以上となると第2の目標温度を目標温度として設定する。
以上のように、本実施の形態では、LDシャットダウン長とLD2の光発振波長の変動量との関係を非線形近似した結果を用いて、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspanとなるまでの間は、非線形的に徐々に電流算出回路6に設定する目標温度を低下させ、LDシャットダウン開始からの経過時間がTspan以上となると目標温度を一定する制御を行うようにした。このため、実施の形態1に比べより高精度にLD2の光発振波長の変動を抑えることができる。
実施の形態3.
図15は、実施の形態3にかかる光通信システムの構成例を示す図である。図15に示した光通信システムは、親局装置であるOLT(Optical Line Terminal)20と、子局装置であるONU(Optical Network Unit)10−1〜10−3を備える。図15では、ONUを3台図示しているが、ONUの台数はこれに限定されない。本実施の形態では、実施の形態1または実施の形態2で説明した光送信器100がONU10−1〜10−3に搭載される例を説明する。
図15は、実施の形態3にかかる光通信システムの構成例を示す図である。図15に示した光通信システムは、親局装置であるOLT(Optical Line Terminal)20と、子局装置であるONU(Optical Network Unit)10−1〜10−3を備える。図15では、ONUを3台図示しているが、ONUの台数はこれに限定されない。本実施の形態では、実施の形態1または実施の形態2で説明した光送信器100がONU10−1〜10−3に搭載される例を説明する。
OLT20とONU10−1〜10−3は光スターカプラ40を介して光通信路である光ファイバ30で接続されている。光スターカプラ40は、OLT20に接続する幹線の光ファイバ30をONU10−1〜10−3の数に分岐させる。
ONU10−1は、例えば、PONプロトコルに基づいてONU側の処理を実施する制御回路であるPON制御部11と、OLT20への送信データすなわち上りデータを格納するためのバッファメモリである上りバッファ12と、OLT20からの受信データすなわち下りデータを格納するためのバッファメモリである下りバッファ13と、光送受信部14とを備える。また、波長多重を行う場合は、WDMカプラをさらに備えていてもよい。ONU10−2,10−3もONU10−1と同様の構成を有する。以降、個別にONUを指定する場合、ONU10−1のように枝番号付きで記載し、ONU10−1〜10−3のいずれであるかを区別せずにONU10−1〜10−3を一般的として示す場合は、ONUと記載する。
光送受信部14は、OLT20へ送信する電気信号を光信号に変換する光送信器141と、OLT20から受信した光信号を電気信号に変換する光受信器142とを備える。なお、図15では、光送信器をTxと略し、光受信器をRxと略している。光送信器141は、実施の形態1または実施の形態2で述べた光送信器100である。
OLT20は、PONプロトコルに基づいてOLT側の処理を実施する制御回路であるPON制御部21と、ONU10−1〜10−3から受信した上りデータを格納するためのバッファである上りバッファ22と、上位ネットワークから受信したONU10−1〜10−3へ送信する下りデータを格納するためのバッファである下りバッファ23と、光信号の送受信処理を行う光送受信部24と、を備える。また、波長多重を行う場合は、WDMカプラをさらに備えていてもよい。光送受信部24は、ONU10−1〜10−3へ送信する電気信号を光信号に変換する光送信器241と、ONU10−1〜10−3から受信した光信号を電気信号に変換する光受信器242とを備える。
なお、上記のPONプロトコルとは、レイヤ2の副層であるMAC(Media Access Control)層等で用いられる制御用プロトコルであって、例えばIEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers)で規定されているMPCP(Multi−Point Control Protocol)やOAM(Operation Administration and Maintenance)等のことである。本発明に適用するPONプロトコルはこれらの例に限定されずどのようなものであってもよい。
本実施の形態では、ONUの光送受信部14の光送信器141が、実施の形態1または実施の形態2の光送信器である例について説明するが、本実施の形態の光送信器が搭載される光通信装置は、LDシャットダウン信号と同様の信号を本実施の形態の光送信器へ入力する制御部を備える光通信装置であればよく、図15に示したONUに限定されない。また、実施の形態1または実施の形態の2のレーザダイオードおよび温度制御回路は、光通信装置以外に搭載されてもよい。
OLT20では、上位ネットワークから受信した下りデータを下りバッファ23に格納する。PON制御部21は、下りバッファ23に格納された下りデータを読み出してONU10−1〜10−3に宛てて光送信器241経由で送信する。また、PON制御部21は、ONU10−1〜10−3に対する上り帯域の割当て、ONU10−1〜10−3の省電力制御などを実施する。また、PON制御部21は、ONU10−1〜10−3の送信停止期間の通知を含む省電力制御に関する信号、上り帯域の帯域割当て結果を通信する送信許可信号などの制御信号を生成し、光送信器241経由でONU10−1〜10−3へ送信する。
ONU10−1では、光受信器142が、OLT20から受信した光信号を電気信号に変換してPON制御部11へ入力する。PON制御部11は、光送受信器14経由でOLT20から受信した下りデータを下りバッファ13に格納する。また、PON制御部11は、OLT20から受信した制御信号に基づいた動作を実施する。また、PON制御部11は、下りデータを下りバッファ13から読み出して該下りデータの宛先の端末等へ送信する。
ONU10−1では、PON制御部11が、OLT20からの送信された信号に基づいて、または自身の判断に基づいて、LDシャットダウン信号を生成して光送信器141へ出力する。具体的には、例えば、PON制御部11は、伝送路に異常を検出した場合、またはOLT20からの指示により送信が禁止されている時間帯にLDシャットダウンを行うようLDシャットダウン信号を生成する。なお、図15の例では、PON制御部11がLDシャットダウン信号を生成するようにしたが、LDシャットダウン信号を生成する構成要素をPON制御部11と別に備えていてもよい。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 温度制御回路、2 LD、3 LDドライバ、4 TEC、5 温度検出器、6 電流算出回路、7 電流制御回路、8 目標温度算出回路、10−1〜10−3 ONU、11,21 PON制御部、12,22 上りバッファ、13,23 下りバッファ、14,24 光送受信部、20 OLT、30 光ファイバ、40 光スターカプラ、100,141,241 光送信器、142,242 光受信器、200 制御回路、201 入力部、202 プロセッサ、203 メモリ、204 出力部。
Claims (6)
- レーザダイオードの温度を検出する温度検出器と、
流れる電流量に応じた吸排熱を行うことにより前記レーザダイオードの温度を制御する熱電素子と、
前記温度検出器により検出された前記レーザダイオードの温度と目標温度とに基づいて前記熱電素子に流す電流量を算出する電流算出部と、
前記電流算出部により算出された電流量に基づいて前記熱電素子に流す電流を制御する電流制御部と、
前記レーザダイオードを発光停止状態とするか否かを示す発光停止信号に基づいて前記レーザダイオードの発光停止状態が解除されている期間では、第1の目標温度を前記目標温度として設定し、前記発光停止信号が前記レーザダイオードの発光停止状態の開始から一定時間が経過するまでの間、前記第1の目標温度から前記第1の目標温度より低い第2の目標温度までの間で前記目標温度が単調減少するように前記目標温度を設定し、前記発光停止信号が前記レーザダイオードの発光停止状態の開始からの経過時間が前記一定時間以上となると前記第2の目標温度を前記目標温度として設定する目標温度算出部と、
を備え、
前記一定時間は、前記レーザダイオードの発光停止状態の継続時間と前記レーザダイオードの光発振波長の波長変動量との関係に基づいて算出されることを特徴とする温度制御回路。 - 前記レーザダイオードの発光停止状態の継続時間と前記レーザダイオードの光発振波長の波長変動量との関係を用いて算出される、前記レーザダイオードの発光停止状態の継続時間に対する前記波長変動量の変化量が閾値未満となる最小の前記レーザダイオードの発光停止状態の継続時間に対応する波長変動量を、第1の波長変動量とするとき、前記一定時間は、前記第1の波長変動量から許容変量を減じた値である第2の波長変量に対応する前記レーザダイオードの発光停止状態の継続時間であることを特徴とする請求項1に記載の温度制御回路。
- 前記目標温度算出部は、前記発光停止信号が前記レーザダイオードの発光停止状態の開始から前記一定時間が経過するまでの間、前記第1の目標温度から前記第2の目標温度を減じた値を前記一定時間で除した値を傾きとして前記目標温度を線形に減少させることを特徴とする請求項1または2に記載の温度制御回路。
- 前記目標温度算出部は、前記レーザダイオードの発光停止状態の継続時間と前記レーザダイオードの光発振波長の波長変動量との関係を非線形近似により近似した近似式を保持し、前記発光停止信号が前記レーザダイオードの発光停止状態の開始から前記一定時間が経過するまでの間、前記レーザダイオードの発光停止状態の開始からの経過時間と前記近似式とに基づいて波長変動量を求め、求めた波長変動量に対応する温度変化量を算出し、前記目標温度を前記第1の目標温度から前記温度変化量を減じた値として算出することを特徴とする請求項2に記載の温度制御回路。
- レーザダイオードと、
前記レーサダイオードの温度を制御する請求項1から4のいずれか1つに記載の温度制御回路と、
を備えることを特徴とする送信器。 - レーザダイオードの温度を検出する温度検出ステップと、
前記温度検出ステップで検出された前記レーザダイオードの温度と目標温度とに基づいて前記レーザダイオードの温度を変化させるための吸排熱を行う吸排熱ステップと、
前記レーザダイオードを発光停止状態とするか否かを示す発光停止信号に基づいて前記レーザダイオードの発光停止状態が解除されている期間では、第1の目標温度を前記目標温度として設定し、前記発光停止信号が前記レーザダイオードの発光停止状態の開始から一定時間が経過するまでの間、前記第1の目標温度から前記第1の目標温度より低い第2の目標温度までの間で前記目標温度が単調減少するように前記目標温度を設定し、前記発光停止信号が前記レーザダイオードの発光停止状態の開始からの経過時間が一定時間を経過すると前記第2の目標温度を前記目標温度として設定する目標温度算出ステップと、
を含み、
前記一定時間は、前記レーザダイオードの発光停止状態の継続時間と前記レーザダイオードの光発振波長の波長変動量との関係に基づいて算出されることを特徴とする温度制御方法。
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