JP6160854B2 - 光送信モジュール、半導体光増幅器の電流制御方法及び光通信システム - Google Patents
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光増幅器107には、例えば半導体光増幅器 (SOA: Semiconductor Optical Amplifier)が用いられる。半導体光増幅器は、光増幅に半導体を使用する光増幅器であり、電流を注入し、光を入射すると注入電流のエネルギーによって半導体内の活性層を進行する光の誘導放出を起こし、光を直接増幅する働きを持つ。ファブリペローレーザダイオードに構造が似ているが、端面で反射しないようにして共振を抑制し、増幅器の誘導放出で入射光を増幅する。半導体光増幅器は通常、III-V属半導体やII-VI属半導体のような直接禁制帯半導体で作られる。希土類添加ファイバ増幅器やラマン増幅器などの他の光増幅器に比べて小型であるため集積化しやすく、E/O変換部106とともに一体型モジュールにすることも可能である。また波長範囲が広いので、複数の違う複数の光を一度に増幅できるという特長もある。
そこで何らかのフィードフォワード制御が望まれるが、半導体光増幅器の注入電流を低めにすると省電力にはなるものの、立ち上がり波形が鈍るなどパターン効果が出て送信波形が劣化することが分かっている。「パターン効果」とは具体的には、信号の増幅のための半導体光増幅器内のキャリア密度が変動するために、増幅率が変動し波形が歪むことを言う。このことにより受信時の誤り率増大を招き、受信感度が悪くなる。
前記半導体光増幅器から出力される光パワーを検知するパワー検知部をさらに備え、第一の電流量は、パワー検知部の検知出力に基づいて決められるものであってもよい。すなわち、平均信号レベルが電気信号のマークレベルとスペースレベルとの間に設定された所定のしきい値以内のときは、第一の電流量を注入するが、この第一の電流量は、パワー検知部の検知出力に基づいて、フィードバック制御により決められる。これにより、動作環境等の変動に基づく半導体光増幅器の光出力特性の変動を吸収することができる。
本発明の光通信システムは、前記光送信モジュールを含む端末装置をノードとして有するシステムである。
<制御手順(1)>
この制御手順(1)は、光変換する前の電気信号を分岐して解析し、電気信号のマーク/スペースの頻度が一定範囲を超えたら半導体光増幅器に電流を多めに注入する、という制御手順である。
信号レベル検知部5の構成を、図4に示す。信号レベル検知部5は、同図のように2種類のピークホールド回路51,52とローパスフィルタ53とを備えている。電気信号は分岐され、マークレベルピークホールド回路51によって、遅延制御部4から受け取る電気信号のマーク部分(High, 1)の電圧が検知され、スペースレベルピークホールド回路52によって、遅延制御部4から受け取る電気信号のスペース部分(Low, 0)の電圧が検知され、ローパスフィルタ53によって、マーク部分(High,1)とスペース部分(Low, 0)の平均電圧が検知される。ローパスフィルタ53の時定数は電気信号を構成する1〜複数ビット分の電気信号の値を平均化する程度のものが望ましい。このようにして信号レベル検知部5は、 遅延制御部4から入力される電気信号のマーク/スペース電圧と平均電圧とを検知し、電流制御部8に入力することができる。
電流制御部8は信号レベル検知部5から受ける3種類の電圧をA/Dコンバータで受けて、そのディジタル値を記憶するとともに、パワー検知部9から受ける電圧をA/Dコンバータで受けて(図3参照)、そのディジタル値を記憶する。
(1) 光パワーに基づくフィードバック処理
半導体光増幅器7の光出力パワーと半導体光増幅器7に流れるSOA電流との関係は、図5のグラフに示すように、SOA電流量を上げていくと光出力パワーが飽和する関係にある。そこで電流制御部8は電源投入時の初期化処理として、パワー検知部9から受ける電圧を監視しながらSOA電流を変えていき、光出力パワーが飽和する最小のSOA電流量を検知し、これを「通常の電流量」とする。この値は例えば150mAとする。
なお、「通常の電流量」は半導体光増幅器7の光出力パワーを実際に測定しなくても、半導体光増幅器7のデータシートに出力飽和に至る電流量が記載されている場合(例えば「出力変動が0.1dB(約2%)以下になる電流量」などと定義されている場合)、この値を「通常の電流量」として決定することもできる。
(2) 信号レベルに基づくフィードフォワード処理
電流制御部8は電源投入時の初期化処理として、信号レベル検知部5から受ける電気信号のマーク電圧、スペース電圧、平均電圧を参照する。平均電圧が、一定範囲(マークレベル=スペースレベル間を100としたとき、例えば0〜80の範囲)から外れているかどうかを判定する(100を超えることも、0より小さくなることも理論上あり得ない)。一定の範囲から外れていれば、すなわち、 平均電圧がマークレベル=スペースレベル間を100としたとき、80を超えていれば、マークレベルが長期間連続している、あるいは密集していると判断できる。そこで、キャリア密度を補うため、半導体光増幅器7に流す電流を「通常の電流量」から「多めの電流量」へと変更する。この「多めの電流量 」という値は例えば250mAである。「多めの電流量 」と「通常の電流量」との差(シフト量;この例では100mA)あるいは比(この例では1.67)は、今後の運用実績により任意に変更できる。
このフローチャートに沿って説明していく。電流制御部8が起動されると、信号レベル検知部5で電気信号のピークレベル(マークレベル)を測定する(ステップS1)。
次に、パワー検知部9で検知された光強度に基づき半導体光増幅器に流すSOA電流を更新する。すなわち電流制御部8は、一定の時間間隔で、パワー検知部9で光出力パワーに相当する電圧を測定し(ステップS7)、その変化を調べる(ステップS8)。過去の測定値、あるいは過去の複数回の測定値の平均値と比べて一定量以上の減少があれば、SOA電流を増加させて(ステップS9)、パワー検知部9で検知される電圧の変化を調べる(ステップ10)。図5に示すように、当該電圧の増加量が少なくなってきた、若しくは若干減少に転じた時点で半導体光増幅器7が出力飽和に達したと判断し、当該SOA電流を「通常の電流量」として更新する(ステップS11)。このように、電流制御部8は、半導体光増幅器7が出力飽和に達する「通常の電流量」を監視し、常に更新している。
半導体光増幅器7から出力される光信号の一部はカプラ10で分岐され、フォトダイオードPDで受光される。フォトダイオードPDには、「通常の電流値」を決める抵抗R1が直列に挿入されている。フォトダイオードPDに光が入射し、電流が流れると、この抵抗R1に電流と抵抗値との積に応じた電圧が発生する。発生した電圧はオペアンプOP3によって反転され、オペアンプOP2を通して、SOA電流を制御するトランジスタQ2のベース・エミッタ間に供給される。フォトダイオードPDに大きな電流が流れると、トランジスタQ2のエミッタ電流は小さくなりトランジスタQ2は遮断され、フォトダイオードPDに小さな電流が流れると、トランジスタQ2のエミッタ電流は大きくなりトランジスタQ2は導通する。このようにして、半導体光増幅器7にフィードバックがかかり、半導体光増幅器7に「通常の電流値」に相当する電流が常時流れるようになる。
この制御手順(2)は、光変換する前の電気信号を分岐して解析し、電気信号のマーク/スペース信号に同期させてスペース信号のときは半導体光増幅器の電流を所定量注入し、マーク信号のときは半導体光増幅器に電流を前記所定量と異なる量を注入する、という制御手順である。
位相反転部12は信号分岐器2から入力される電気信号の位相を反転もしくは反転させないで遅延制御部4に提供する。反転させた場合、電気信号のマーク/スペースが入れ替わる。信号レベル検知部5は、図4を用いて説明したようなピークホールド回路、ローパスフィルタを持たず、図10に示すように、しきい値レベルと比較することにより、マーク信号とスペース信号とを識別する高速の2値化回路54を備えている。この識別の結果、マーク電圧、スペース電圧を、ビットごとに検知することができる。パワー検知部9は図4と同一構成・同機能である。
(1) 光パワーに基づくフィードバック処理
図5では、光出力パワーが飽和する「通常の電流量」を決定しているが、本処理では、「通常の電流量」を決定し、さらに「通常の電流量」よりも小さな所定の「少なめの電流量」を決定する。すなわち電流制御部8は、起動時に「少なめの電流量」を決定し、その後もパワー検知部9から受ける電圧を定期的に監視してSOA電流を微調整し、「少なめの電流量」を更新する。例えば、「少なめの電流量」は100mAとする。この「少なめの電流量」の設定基準は後述する。
電流制御部8は電源投入時の初期化処理として、信号レベル検知部5から受ける電気信号のマーク電圧とスペース電圧とを参照して、2値化回路54のしきい値(制御手順(2)では、制御手順(1)と区別するために「しきい値」に代えて「スレッショルド」という言葉を用いる)電圧をまず決める。
また「少なめの電流量」については、「通常の電流量」と「少なめの電流量」との大きさの関係が、例えば、「少なめの電流量」+「多めの電流量」=2×「通常の電流量」となるようにすればよい。しかしこの式を用いて決定する方法は一例であって、この決定方法に限定されるものではない。例えば出力が通常の電流量 (飽和出力)より所定比率(xdB)低い値となる電流値を「少なめの電流量」と定めることもできる。この所定比率の”x”をあまり大きく設定すると、図5にもあるように、SOA電流に対するパワーの変動率が大きな領域に嵌ってしまい、波形の歪みが大きくなる。そこで、パワーの変動があまり大きくならない領域になるように、所定比率の”x”は例えば”2”程度の値に設定するとよい。
以上に説明した電流制御部8の行う、パワー検知部9を用いたフィードバック処理手順と、信号レベル検知部5を用いたフィードフォワード処理手順とをまとめてフローチャートに描いたものを、図12A,図12Bに示す。この手順では、位相反転部12を用いて信号分岐器2から入力される電気信号の位相を反転させていることを前提とする。
次に、E/O変換部6の初期設定処理を行う。まずSOA電流を0又は0に近い値「初期値」に設定し(ステップT2)、パワー検知部9で光出力パワーに相当する電圧を測定する(ステップT3)。SOA電流を徐々に大きくしていくと(ステップT4)、光出力パワーに相当する電圧が増加していくが(ステップT5)、図5に示すように、当該電圧の増加量が少なくなってきた、若しくは若干減少に転じた時点で半導体光増幅器7が出力飽和に達したと判断し、当該SOA電流を「通常の電流量」として記憶する(ステップT6)。なお、「通常の電流量」の決定方針として、制御手順(1)のところで述べたように「通常の電流量」をカタログ値などから決定しても良い。
次に、パワー検知部9で検知された光強度に基づき半導体光増幅器に流すSOA電流を更新する。すなわち電流制御部8は、一定の時間間隔で、パワー検知部9で光出力パワーに相当する電圧を測定し(ステップT9)、その変化を調べる(ステップT10)。過去の測定値、あるいは過去の複数回の測定値の平均値と比べて一定量以上の減少があれば、SOA電流を増加させて(ステップT11)、パワー検知部9で検知される電圧の変化を調べる(ステップT12)。当該電圧の増加量が少なくなってきた、若しくは最高値から若干減少に転じた時点で、半導体光増幅器7が出力飽和に達したと判断し、当該SOA電流を「通常の電流量」として更新する(ステップT13)。さらに前述した方針に沿って、「多めの電流量」を決定、「少なめの電流量」を決定する(ステップT14)。このように、電流制御部8は、半導体光増幅器7が出力飽和に達する電流量を監視し、常に更新している。
アナログ制御回路の例を図13に示す。信号分岐器2から位相反転されて出力される電気信号は、遅延制御部4を通って反転回路41に入り、反転回路41で2つに分かれ、一方はその信号のまま、他方は位相反転されて高速差動電流回路13につながる。高速差動電流回路13は2つのトランジスタを用いて差動増幅する回路である。
半導体光増幅器7に電流が流れる前記経路71には、トランジスタQ1(コレクタ−エミッタ間)が挿入されている。トランジスタQ1のベースには、「多めの電流量」を流すために、「少なめの電流量」に追加する追加電流量を決める第三の分圧回路DIV3が接続されている。この第三の分圧回路DIV3の分圧電圧は、オペアンプOP1を通してSOA電流を制御するトランジスタQ1のベース・エミッタ間に供給され、トランジスタQ1に前記分圧電圧に応じた電流を流す。
なお、「少なめの電流値」の制御回路については、電流量が一定量を超えないようにリミッターを設けてもよい。出力飽和領域になると半導体光増幅器7の出力パワーの変動が小さく、逆に出力が微小に減少する場合もあり、電流を「パワーが減ると足す」制御を行っていると出力飽和領域でうまく電流が止まってくれないで正のフィードバックがかかる可能性がある。そこでSOA電流が大きくなりすぎて半導体光増幅器7を壊してしまうのを避けるために電流リミッターを設けることが好ましい。
以上の2つの制御手順(1)(2)で用いられる遅延制御部3,4の機能を詳細説明する。
遅延制御部は、基本的には、半導体光増幅器7に入射される光信号に対して、どのタイミングでSOA電流を増減させるかを決める。
なお、制御方法(2)ではスペース信号の時に「少なめの電流量」、マーク信号の時に「多めの電流量」を入れるようにしていたが、スペース信号の時に「多めの電流量」、マーク信号の時に「少なめの電流量」を入れるようにしても良い。
制御方法(2)では、E/O変換部6に送る信号と同相の信号を参照することによりタイミングを調節して、マーク信号が来るタイミングで、半導体光増幅器7に「多めの電流量」を注入することで、消費するキャリアを補うことを狙っている。
この「電気信号のスペース信号に合わせてSOAに『多めの電流量』を注入する」という動作を実現するには、遅延制御部4(図9、図13)の内部に電気信号の正逆を反転する仕組みを持たせるとよい。
図14は、PON光通信システムの構成例を示す概略図である。
PON光通信システムは、局舎に備えられる局側装置OLTと複数の加入者に備えられる宅側装置ONUとが、光ファイバ及び光分岐器を介して接続されている。
光分岐器は、特に外部からの電源供給を必要とせず入力された信号から受動的に信号を分岐・多重するスターカプラで構成されている。
前記GE−PON方式若しくは10G−EPON方式に従えば、局側装置OLT及び宅側装置ONUの相互の通信は、可変長なフレームを単位として行われる。
図15は、PON光通信システムの詳細なブロック構成図である。局側装置OLTに対して、宅側装置ONUを1台のみ描いている。
本発明の光送信モジュール1は、宅側装置ONU、局側装置OLTの光送信装置25,30にそれぞれ搭載されている。以下、宅側装置ONUに搭載されているものを「光送信モジュール1A」、局側装置OLTに搭載されているものを「光送信モジュール1B」という。
局側装置OLTの光送信モジュール1Bからの発光は、EA変調素子により強度変調され、光合分波器37を介して、PONに出力される。この光は光合分波器27を通して、全ての宅側装置ONUに同時に入力される。このとき宛先とされた宅側装置ONUのみが下りデータを取得できることは、前述したとおりである。宅側装置ONUの光送信モジュール1Aからの発光は、EA変調素子により強度変調され、光合分波器27を介して、PONに出力される。この光は光合分波器37を通して、局側装置OLTに入力される。
2 信号分岐器
3,4 遅延制御部
5 信号レベル検知部
6 E/O変換部
7 半導体光増幅器
8 電流制御部
9 パワー検知部
10 光カプラ
Claims (9)
- 電気信号を光信号に変換して増幅する光送信モジュールであって、
電気信号を光信号に変換するE/O変換部と、前記E/O変換部によって変換された光信号を飽和領域で増幅する半導体光増幅器と、前記電気信号の過去の1又は複数ビット分の平均信号レベルを検知する信号レベル検知部と、前記半導体光増幅器に第一の電流量を注入する電流制御部とを備え、
前記電流制御部は、前記過去の1又は複数ビット分の平均信号レベルが、前記電気信号のマークレベルとスペースレベルとの間に設定された所定のしきい値を超えたときに、前記第一の電流量よりも多い第二の電流量を前記半導体光増幅器に注入し、
前記第一の電流量及び前記第二の電流量は、ともに前記半導体光増幅器に注入する電流量の変動による光出力パワーが飽和する飽和領域にある電流量であることを特徴とする、光送信モジュール。 - 前記半導体光増幅器から出力される光パワーを検知するパワー検知部をさらに備え、前記第一の電流量は、前記パワー検知部の検知出力に基づいて決められる、請求項1に記載の光送信モジュール。
- 半導体光増幅器に入射されるE/O変換部からの光信号の増減と、信号レベル検知部で検知される平均信号レベル値の増減とのタイミングが一致するように、光信号に変換する前の電気信号と前記信号レベル検知部に入る電気信号とに対して、遅延時間を調整する遅延制御部をさらに備える、請求項1又は請求項2に記載の光送信モジュール。
- 電気信号を光信号に変換して増幅する光送信モジュールであって、
電気信号を光信号に変換するE/O変換部と、前記E/O変換部によって変換された光信号を飽和領域で増幅する半導体光増幅器と、前記電気信号のマーク信号の期間とスペース信号の期間とを検知する信号検知部と、前記半導体光増幅器に電流量を注入する電流制御部とを備え、
前記電流制御部は、前記信号検知部によって検知されたスペース信号の期間に、前記半導体光増幅器に第三の電流量を注入し、前記信号検知部によって検知されたマーク信号の期間に、前記半導体光増幅器に第三の電流量と異なる第四の電流量を注入し、前記第三の電流量は前記半導体光増幅器に注入する電流量の変動による光出力パワーが飽和する電流量よりも少なく、前記第四の電流量は、前記半導体光増幅器に注入する電流量の変動による光出力パワーが飽和する飽和領域にある電流量であることを特徴とする、光送信モジュール。 - 半導体光増幅器に入射されるE/O変換部からの光信号の増減と、信号レベル検知部で検知されるマーク信号、スペース信号とのタイミングが一致するように、光信号に変換する前の電気信号と前記信号レベル検知部に入る電気信号とに対して、遅延時間を調整する遅延制御部をさらに備える、請求項4に記載の光送信モジュール。
- 前記第三の電流量は、前記第四の電流量より所定比率低い値となる電流量である、請求項4又は請求項5に記載の光送信モジュール。
- 電気信号を光信号に変換するE/O変換部と、前記E/O変換部によって変換された光信号を飽和領域で増幅する半導体光増幅器とを備える光送信モジュールにおける、半導体光増幅器の制御方法であって、
前記半導体光増幅器に第一の電流量を注入しておき、
電気信号の過去の1又は複数ビット分の平均信号レベルを取得し、当該平均信号レベルが前記電気信号のマークレベルとスペースレベルとの間に設定された所定のしきい値を超えたときに、前記第一の電流量よりも多い第二の電流量を前記半導体光増幅器に注入し、前記第一の電流量及び前記第二の電流量は、ともに前記半導体光増幅器に注入する電流量の変動による光出力パワーが飽和する飽和領域にある電流量であることを特徴とする、半導体光増幅器の制御方法。 - 電気信号を光信号に変換するE/O変換部と、前記E/O変換部によって変換された光信号を飽和領域で増幅する半導体光増幅器とを備える光送信モジュールにおける、半導体光増幅器の制御方法であって、
前記電気信号のマーク信号の期間とスペース信号の期間とを検知し、検知されたスペース信号の期間に、前記半導体光増幅器に第三の電流量を注入し、前記信号検知部によって検知されたマーク信号の期間に、前記半導体光増幅器に第三の電流量と異なる第四の電流量を注入し、前記第三の電流量は前記半導体光増幅器に注入する電流量の変動による光出力パワーが飽和する電流量よりも少なく、前記第四の電流量は、前記半導体光増幅器に注入する電流量の変動による光出力パワーが飽和する飽和領域にある電流量であることを特徴とする、半導体光増幅器の制御方法。 - 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の光送信モジュールを備える通信端末装置をノードとして有する光通信システム。
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