JP6240043B2

JP6240043B2 - 光信号増幅装置

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Publication number: JP6240043B2
Application number: JP2014164015A
Authority: JP
Inventors: 卓也堤; 康隆木村; 坂本　健; 健坂本; 鈴木　謙一; 謙一鈴木; 稔久藤原; 慈仁酒井; 寛王
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-08-12
Also published as: JP2016039623A

Description

本発明は、光信号増幅装置に関する。

近年の通信トラフィック量の爆発的増大により、設備センタとユーザ間を接続するアクセスネットワークにはより高い高速性が求められている。また同時に、既存のサービスに比べてサービス提供価格を上昇させないための高い経済性も求められている。この高速性と経済性を両立可能なアクセスネットワークシステムとしてＰＯＮ（ＰａｓｓｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ）がある。

ＰＯＮは光ファイバを用いた光信号の変調に基づくネットワークであり、従来のメタル配線を用いたネットワークよりも高い高速性を得ることができる。また、ＰＯＮでは、設備センタに収容される光加入者線終端盤（以下ＯＳＵ：Ｏｐｔｉｃａｌｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒｕｎｉｔ）１枚あたりに対し、光ファイバ線路途中に配置された光スプリッタによる光分岐のみによって光回線終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌｎｅｔｗｏｒｋｕｎｉｔ）を介して多ユーザを収容することができることから、経済性にも優れたネットワークといえる。

一方、多ユーザ収容のために光ファイバの分岐を行うと、その際に発生する分岐損により、設備センタに収容可能なユーザまでの距離（アクセス可能距離）を短縮させてしまう。このアクセス可能距離の短縮は、ユーザ分布に合わせて多くの設備を密に配置しなければならないことを意味する。これは設備投資を増加させ、結果としてＰＯＮの持つ優れた特長の一つである経済性を損なってしまう。従って、１つのＯＳＵに対して多ユーザを収容してもアクセス可能距離を短縮させないような工夫が必要である。

この課題を解決する方法として、強度が減衰した光バースト信号を光増幅器によって増幅させる方法がある。これによって、アクセス可能距離を長延化することができ、より経済性に優れたアクセスネットワークを構築することができる。アクセスネットワークに用いられる光アンプには、一般的に応答速度が早く、価格も低廉な半導体光アンプ（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｏｐｔｉｃａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ）がよく用いられる。

この光増幅器を用いてアクセスネットワークを長延化した例が特許文献１である。この発明はＳＯＡ、熱電温度コントローラ（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、可変光アッテネータ（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅｏｐｔｉｃａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の３つの構成要素からなる。特に上りバースト信号におけるアンプへの入力パワーは、ＯＮＵの設置距離や通信用レーザの個体間毎にパワーが大きく異なるため、ＳＯＡの前段でパワーを検出し、フィードフォワード的にＶＯＡの挿入損失量を増減させる。このことによって増幅された信号はＶＯＡ段でパワーが一定になるよう、バースト信号毎に自動レベル制御（ＡＬＣ：Ａｕｔｏｌｅｖｅｌｃｏｎｔｒｏｌ）される。

ＡＬＣではＳＯＡへの注入電流を一定、すなわちＳＯＡのゲインを一定とし、ＳＯＡの外部に接続された可変光アッテネータの挿入損失量を入力光パワーに応じて増減させ、出力段での光パワーを一定にしている。この場合、フィードフォワード的に入力光パワーを監視し、後段の可変光アッテネータの挿入損失量を決定するだけであるから制御系が単純となるため、安定かつ高速に出力パワーを制御することができる。この機構によって、様々な入力パワーを有するバースト信号を増幅し、かつ一定の出力パワーで光増幅してシステムの長延化を実現することができる。

しかしながら該発明の構成では経済性の点で２点課題がある。１点目の課題はペルチェ効果を利用した熱電温度コントローラ（ＴＥＣ）を付加しなければならない点である。ＳＯＡによって入力光を増幅するためには、ＳＯＡに対して電流を注入し、キャリアの反転分布を発生させて入力光をトリガとする誘導光を発生させる必要がある。しかしながらこの時、注入電流に起因する抵抗損が発生し、結果としてＳＯＡの温度ゆらぎが生じる。この温度ゆらぎはＳＯＡの光増幅の不安定化につながる。このことを防止するためにＴＥＣの実装がなされるが、これは光アンプ価格の上昇、及びＴＥＣ機能発現に要する消費電力の上昇を招く。

また２点目の課題は、フィードフォワード制御の対象であるＶＯＡを付加しなければならない点である。このＡＬＣ用のＶＯＡの実装は制御安定性の面で非常に有利ではあるものの、高価であるため光アンプ全体に対して価格の更なる上昇を招く。これらのＴＥＣ、ＶＯＡの実装に伴う光アンプの高コスト化は、長延化によってアクセスシステム全体の低コスト化を図るという目的と照らし合わせると望ましくない。

特許４８３４１６４号公報

本発明は、ＴＥＣ及びＶＯＡを省略し、入力光信号を制御性よく増幅して出力光電力を一定として出力可能な光増幅装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明の光信号増幅装置は、入力光信号を一定の出力で増幅するための光増幅装置において、光アンプへの注入電流を制御量とするフィードフォワード回路とフィードバック回路を有する温度変動制御ループと、温度変動制御ループの外側に設けられ、注入電流を制御量とするフィードフォワード回路とフィードバック回路を有する出力光制御ループとを備える。

具体的には、本発明に係る光信号増幅装置は、入力光信号を出力電力目標値となるように増幅した出力光信号を出力する光信号増幅装置であって、前記入力光信号を注入電流の量に応じて増幅し、前記出力光信号として出力する光アンプと、前記入力光信号及び前記出力光信号の電力値に基づいて、前記出力光信号の電力値が前記出力電力目標値と等しくなるように、前記光アンプへの注入電流量を制御する光出力制御ループと、前記光出力制御ループの制御する前記光アンプへの注入電流の増減量を用いて、前記光アンプの温度変化を算出し、当該温度変化に依存する前記光アンプの前記出力光信号の電力の変動を抑制するように、前記光出力制御ループの制御する前記光アンプへの注入電流量を制御する温度変動制御ループと、を備える。

本発明に係る光信号増幅装置は、前記温度変動制御ループは、前記光アンプに注入電流を供給し、前記注入電流に応じた参照電流を出力する温度制御フィードフォワード回路と、前記参照電流の増減から前記光アンプの温度変化を算出し、前記光アンプの温度変化に依存する前記光アンプの前記出力光信号の電力の変動を抑制するように、前記温度制御フィードフォワード回路の供給する前記注入電流を増減させる温度制御フィードバック回路とを備え、前記光出力制御ループは、前記入力光信号の一部の電力値から前記光アンプに入力された前記入力光信号の電力値を算出し、前記光アンプから出力される前記出力光信号の電力が前記出力電力目標値と等しくなるように、前記光アンプへの注入電流量を制御する光出力制御フィードフォワード回路と、前記出力電力目標値及び前記出力光信号の一部の電力値が入力され、前記出力電力目標値から前記出力光信号の電力値を減算した値がゼロとなるように、前記光アンプへの注入電流量を制御する光出力制御フィードバック回路と、備えてもよい。

本発明に係る光信号増幅装置は、前記温度制御フィードフォワード回路及び前記温度制御フィードバック回路のそれぞれの入出力間の遅延時間は、前記光出力制御フィードフォワード回路及び前記光出力制御フィードバック回路の入出力間の遅延時間のそれぞれより小さくてもよい。

本発明に係る光信号増幅装置は、前記光出力制御フィードフォワード回路は、前記光アンプへの注入電流量を示す光制御ループフィードフォワード信号を前記温度制御フィードフォワード回路に出力し、前記温度制御フィードフォワード回路は、前記光制御ループフィードフォワード信号が示す注入電流から、前記温度制御フィードバック回路からの温度制御ループフィードバック信号が示す前記光アンプの前記注入電流の増減量を減算した注入電流を前記光アンプに供給してもよい。

本発明に係る光信号増幅装置は、前記光出力制御フィードバック回路は、前記注入電流を増減させる光制御ループフィードバック信号を前記温度制御フィードバック回路に出力し、前記温度制御フィードバック回路は、前記光制御ループフィードバック信号が示す前記光アンプの前記注入電流の変化量から、前記参照電流の増減から算出した前記光アンプの温度変化を抑制するための前記注入電流の変化量を減算することによって、前記光アンプの温度変化を抑制する前記注入電流の増減量を算出してもよい。

本発明に係る光信号増幅装置は、前記温度制御フィードバック回路は、前記注入電流の増減量に対する前記光アンプの温度変化を表す伝達関数を備え、前記伝達関数を参照して、前記参照電流の増減量に対応する前記光アンプの温度変化を算出してもよい。

本発明に係る光信号増幅装置は、前記光出力制御フィードバック回路は、前記温度変動制御ループでのオフセット及び前記出力光信号に含まれるＡＳＥノイズを除去し、前記出力電力目標値から前記出力光信号に含まれるＡＳＥノイズを除去した後の電力値を減算した値がゼロとなるように、前記光アンプへの注入電流量をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御部を備えてもよい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明は、温度変動制御ループを備えるため、注入電流に起因する発熱によるＳＯＡの動作が不安定に陥らない機構を、高価なＴＥＣを省略しながら実現することができる。また、本発明は、光出力制御ループを備えるため、ＶＯＡを省略しながら安定的な入力光信号の出力制御を実現することができる。したがって、本発明に係る光増幅装置では、ＴＥＣ、ＶＯＡを省略し、安価で長延化に寄与可能な光信号増幅装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る光信号増幅装置の一例を示す。本発明の実施形態に係る温度制御ループの一例を示す。本発明の実施形態に係る出力光制御ループの一例を示す。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１に、本発明の実施形態に係る光信号増幅装置の模式図を示す。本実施形態に係る光信号増幅装置は、ＳＯＡ３１と、温度制御ループ３０と、光出力制御ループ２０とを備える。出力光制御ループ２０は、光出力制御ＦＦ（ＦｅｅｄＦｏｒｗａｒｄ）回路２１と、光出力制御ＦＢ（ＦｅｅｄＢａｃｋ）回路２２を備える。光出力制御ＦＦ（ＦｅｅｄＦｏｒｗａｒｄ）回路２１は、光出力制御フィードフォワード回路として機能する。光出力制御ＦＢ（ＦｅｅｄＢａｃｋ）回路２２は、光出力制御フィードバック回路として機能する。温度制御ループ３０は、温度制御ＦＢ回路３２と、温度制御ＦＦ回路３３を備える。温度制御ＦＢ回路３２は、温度制御フィードバック回路として機能する。温度制御ＦＦ回路３３は、温度制御フィードバック回路として機能する。

分岐部４１は、光信号増幅装置へ入力した光信号を分岐する。分岐部４１は、例えば光分岐器である。入力光は、分岐部４１の分岐率に応じて分岐され、一方がＳＯＡ３１に入力される。ＳＯＡ３１に入力される光信号の電力は、Ｐ_{ｉｎ＿ＳＯＡ}である。
分岐部４１で分岐された入力光の他方が、入力モニタ用光信号として光出力制御ＦＦ（ＦｅｅｄＦｏｒｗａｒｄ）回路２１に入力される。入力モニタ用光信号の電力は、Ｐ_ｉｎ＿ｍである。入力モニタ用光信号の電力Ｐ_ｉｎ＿ｍは、例えば入力光電力Ｐ_ｉｎの１％である。

ＳＯＡ３１は、入力された電力がＰ_{ｉｎ＿ＳＯＡ}である光信号を、注入電流Ｉ_ＳＯＡの量に応じて増幅して、電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ＳＯＡ}である光信号を出力する。ＳＯＡ３１の入力光の電力Ｐ_{ｉｎ＿ＳＯＡ}と、出力光の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ＳＯＡ}の間のゲインはＧ_ＳＯＡである。また、ＳＯＡ３１の出力光には、ＡＳＥ（ＡｍｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）ノイズＮ_ＡＳＥが含まれる。

分岐部４２は、分岐部４２の分岐率に従って、ＳＯＡ３１の出力光は、分岐部４２で出力光信号と出力モニタ用光信号に分岐される。ここで、ＳＯＡ３１の出力光の電力はＰ_{ｏｕｔ＿ＳＯＡ}であり、出力光信号の電力はＰ_ｏｕｔであり、出力モニタ用光信号の電力はＰ_{ｏｕｔ＿ｍ}である。

分岐部４２は、例えば光分岐器である。出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}が光出力制御ＦＢ回路２２に入力される。出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}は、例えば出力光信号の電力Ｐ_ｏｕｔの１％である。

光出力制御ＦＢ回路２２には、出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆが入力される。ここで、出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆは、出力光の電力の目標値である出力電力目標値を、分岐部４２の分岐率のうち、光出力制御ＦＢ回路２２へ入力される光の分岐率で割った値である。そのため、出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆと、出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}が等しければ、出力電力目標値と出力光信号の電力Ｐ_ｏｕｔは等しい。

光出力制御ＦＦ回路２１の出力である光制御ループフィードフォワード信号Ｖ_ＬＦＦは、温度制御ループ３０の前段である温度制御ＦＦ回路３３に入力される。一方で、光出力制御ＦＢ回路２２の出力である光制御ループフィードバック信号Ｖ_ＬＦＢは、温度制御ループ３０の後段である温度制御ＦＢ回路３２に入力される。この構成により、内側に時定数の短い温度制御ループ３０、外側に比較的時定数の長いバースト信号毎の特性変動を吸収する光出力制御ループ２０を効率的に構築できる。ただし、温度変動の時定数が比較的短い場合などにおいては、この構成によらず自由な構成とすることができる。

ＳＯＡ３１の温度は、入力光バースト信号の周期に関わらず電流注入される限り常に変動するため、本来、温度制御ループ３０の時定数はいかなる値でも良い。ただし温度制御ループ３０は光信号増幅装置全体の応答時間のボトルネックとなる構成であるため、光出力制御ループ２０の時定数と同程度か、短くなるように設定すれば、より高い温度安定効果を得ることができる。そのため、温度制御ＦＦ回路３３及び温度制御ＦＢ３２回路のそれぞれの入出力間の遅延時間は、光出力制御ＦＦ２１回路及び光出力制御ＦＢ２２回路のそれぞれの入出力間の遅延時間より小さくなるように設定する。つまり、温度制御ＦＦ回路３３及び温度制御ＦＢ３２回路のそれぞれの時定数は、光出力制御ＦＦ２１回路及び光出力制御ＦＢ２２回路のそれぞれの時定数より小さい。ただし、温度変動による特性変動の時定数が短くなるように調整された構造（ヒートシンクを設けるなど）では、温度制御ループ３０の時定数を必ずしも光出力制御ループ２０の時定数よりも短くする必要はない。

（温度制御ループ）
温度制御ＦＦ回路３３は、ＳＯＡ３１に注入電流Ｉ_ＳＯＡを供給し、注入電流Ｉ_ＳＯＡによるＳＯＡ３１の温度変動を算出するための参照電流ｋＩ_ＳＯＡを出力する。参照電流ｋＩ_ＳＯＡは、注入電流Ｉ_ＳＯＡに応じた量である。温度制御ＦＦ回路３３は、光制御ループフィードフォワード信号Ｖ_ＬＥＦが示す注入電流Ｉ_ＳＯＡから、温度制御ＦＢ回路３２からの温度制御ループフィードバック信号Ｖ_ＴＦＢが示す光アンプ３１の注入電流Ｉ_ＳＯＡの増減量を減算した注入電流Ｉ_ＳＯＡを光アンプ３１に供給する。

温度制御ＦＢ回路３２は、ＳＯＡ３１に注入電流Ｉ_ＳＯＡが入力されることによるＳＯＡ３１の温度変化によって、出力光の電力Ｐ_ｏｕｔが変動しないようにする。具体的には、温度制御ＦＢ回路３２は、参照電流ｋＩ_ＳＯＡの増減から光アンプ３１の温度変化を算出し、光アンプ３１の温度変化を抑制するように、温度制御ＦＦ回路３３の供給する注入電流Ｉ_ＳＯＡを増減させる。温度制御ＦＢ回路３２は、光出力変動を除去するための光出力制御ループ信号Ｖ_ＬＦＢが示す光アンプ３１の注入電流Ｉ_ＳＯＡの変化量から、参照電流ｋＩ_ＳＯＡの増減から算出した光アンプ３１の温度変化を抑制するための注入電流Ｉ_ＳＯＡの変化量を減算することによって、光アンプ３１の温度変化を抑制する注入電流Ｉ_ＳＯＡの増減量を算出する。

まず温度制御ループ３０におけるＳＯＡ３１での温度変動の吸収メカニズムについて述べる。ＳＯＡ３１のゲインＧ_ＳＯＡは、ＳＯＡ３１への入力光電力Ｐ_{ｉｎ＿ＳＯＡ}、及び注入電流Ｉ_ＳＯＡを用い、以下の関係式群の式（１）によって記述される。

ただし、ｇ_０：飽和ゲイン、Ｐ_ｓ：飽和入力電力である。

飽和ゲインｇ_０及び飽和入力電力Ｐ_ｓは次式で表される。

ただし、Ｖ：バイアス電圧、Γ：キャリア閉じ込め係数、σ_ｇ：ゲイン作用断面積、Ｎ_０：真性キャリア密度、ν：入力光波長、σ_ｍ：導波実効断面積、τ_ｃ：キャリア寿命である。

ここで、式（２）のＳＯＡ３１への注入電流Ｉ_ＳＯＡは、次式を用いて求めることができる。

ただし、ｑ：電気素量、ｄ：活性領域厚、Ｌ：活性領域長、ｗ：活性領域幅、ｎ：励起キャリア密度、Ａ：非発光再結合係数、Ｂ：自然発光再結合係数、Ｃ：非発光オージェ再結合係数である。

式（４）のＳＯＡ３１における励起キャリア密度ｎは、次式を用いて求めることができる。

ただし、Ｎｃ：伝導帯実効キャリア密度、Ｅ_ｃ：伝導帯準位、Ｅ_ｆ：フェルミ準位、ｋ_Ｂ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度である。

式（５）のＳＯＡ３１における伝導帯実効キャリア密度Ｎｃは、次式を用いて求めることができる。

ただし、ｍ_ｅ ^＊：電子有効質量、ｈ：プランク定数である。

ＳＯＡ３１のデバイス温度Ｔが上昇すると、ＳＯＡ３１内で伝送帯へ励起されるキャリア密度が増えるため（式（５），式（６））、注入電流Ｉ_ＳＯＡの量も増加し（式（４））、この時の発熱によってデバイス温度Ｔは更に上昇する。このデバイス温度Ｔの増加は、電流の注入が起因であるため極めて短い時定数で変動し、ＳＯＡ３１の感度を不安定にさせる要因となる。従って、本来この系においては、ＴＥＣを用いた一定温度制御が必要である。

温度制御ループ３０では、光出力制御ループ２０の制御する光アンプ３１への注入電流Ｉ_ＳＯＡの増減量を用いて光アンプ３１の温度変化を算出し、当該温度変化に依存する光アンプ３１の出力光信号の電力の変動を抑制するように、光出力制御ループ２０の制御する光アンプ３１への注入電流量を制御する。具体的には、温度制御ループ３０は、温度制御ＦＢ回路３２及び温度制御ＦＦ回路３３を用いて、温度変化によって出力光の電力Ｐ_ｏｕｔが変動しないように、注入電流Ｉ_ＳＯＡを変化させる。温度制御ＦＢ回路３２には、温度制御ＦＦ回路３３からの参照電流ｋＩ_ＳＯＡ及び光出力制御ＦＢ回路２２からの光制御ループフィードバック量Ｉ_ＬＦＢが入力される。

温度制御ＦＢ回路３２は、参照電流ｋＩ_ＳＯＡの増減から求めた注入電流Ｉ_ＳＯＡの増減量を計算する。温度制御ＦＢ回路３２は、光制御ループフィードバック量Ｉ_ＬＦＢから注入電流Ｉ_ＳＯＡの増減量を減算して、温度制御ループフィードバック信号Ｖ_ＴＦＢとして温度制御ＦＦ回路３３に出力する。

温度制御ＦＦ回路３３には、光出力制御ＦＦ回路２１からの光制御ループフィードフォワード信号Ｖ_ＬＦＦ及び温度制御ＦＢ回路３２からの温度制御ループフィードバック信号Ｖ_ＴＦＢが入力される。温度制御ＦＦ回路３３は、ＳＯＡ３１への注入電流Ｉ_ＳＯＡ及び温度制御ＦＢ回路３２へ入力する参照電流ｋＩ_ＳＯＡを出力する。

温度制御ＦＢ回路３２は、この短時間で揺らぐＳＯＡ３１のデバイス温度Ｔの変動を参照電流ｋＩ_ＳＯＡの変動でモニタする。温度制御ＦＦ回路３３でのフィードフォワード量（ＦＦ量）である参照電流ｋＩ_ＳＯＡの量は、任意である。ただし、参照電流ｋＩ_ＳＯＡの量は、注入電流Ｉ_ＳＯＡの量に応じて決まるようにする。例えば、参照電流ｋＩ_ＳＯＡの量は、注入電流Ｉ_ＳＯＡの量に比例するようにし、適当な係数ｋを乗じて参照電流ｋＩ_ＳＯＡとする。参照電流ｋＩ_ＳＯＡの量は、例えば注入電流Ｉ_ＳＯＡの１％である。本実施形態では、参照電流ｋＩ_ＳＯＡの量が、注入電流Ｉ_ＳＯＡの量に比例する場合の例を示すが、参照電流ｋＩ_ＳＯＡの量は、任意の関数と、注入電流Ｉ_ＳＯＡの量から決まるとしてもよい。この時、モニタ量は電流値でも電圧値でもよく、注入電流Ｉ_ＳＯＡの変動比率さえモニタできれば良い。例えば、温度制御ＦＢ回路３２は、単位時間あたりの参照電流ｋＩ_ＳＯＡの電流量がｘｘ％変動したことを検出する。

この参照電流ｋＩ_ＳＯＡのモニタ量を、注入電流Ｉ_ＳＯＡの電流変動の時定数程度で温度制御ＦＢ回路３２に負帰還すれば、ＴＥＣなしで安定な温度制御が可能になる。例えば注入電流Ｉ_ＳＯＡが上昇した場合、ＳＯＡ３１のデバイス温度Ｔが上昇したということであるから、注入電流Ｉ_ＳＯＡの変化量が負になるように、温度制御ＦＢ回路３２から温度制御ＦＦ回路３３へ入力される。注入電流Ｉ_ＳＯＡが減少した場合は逆のプロセスにより一定温度になるように制御される。

この温度制御ループ３０の時定数は、注入電流Ｉ_ＳＯＡの変動や、ＳＯＡ３１の構成材料の比熱・熱抵抗を元に決定されるが、概ね数百ナノ秒〜数マイクロ秒程度になるように設定すれば、ＴＥＣなしで安定な温度制御を実現でき、ＳＯＡ３１の感度を一定に保つことができる。

図２は図１における温度制御ループ３０の一例である。この例では温度制御ＦＦ回路３３は、ＳＯＡ３１の駆動電流供給に必要なドライバ回路３３１を有し、温度制御ＦＢ回路３２は、適当な温度補償回路３２１を有している。ドライバ回路３３１からは注入電流Ｉ_ＳＯＡを供給するが、その際に注入電流Ｉ_ＳＯＡの一部の電流量又は注入電流Ｉ_ＳＯＡに比例した電流を参照電流ｋＩ_ＳＯＡとして温度補償回路３２１に入力している。図２では、温度補償回路３２１で参照電流ｋＩ_ＳＯＡをモニタする場合の例を示すが、本発明はこれに限定されない。例えば、ＳＯＡ３１の注入電流Ｉ_ＳＯＡの電流注入線路に微小抵抗（ミリ〜マイクロΩオーダ）を挿入し、その両端の電位差をモニタ量として温度補償回路３２１に入力する等の構成を用いてもよい。

温度補償回路３２１は参照電流ｋＩ_ＳＯＡの入力に対し、負の相関を有する出力を実現するような伝達関数を有する。つまり、温度補償回路３２１は、注入電流Ｉ_ＳＯＡの増減量に対するＳＯＡ３１の温度変化と負の相関を有する伝達関数を備え、その伝達関数を参照して、参照電流ｋＩ_ＳＯＡの増減量に対応するＳＯＡ３１の温度変化を算出する。そして、温度補償回路３２１は、ＳＯＡ３１の温度変化に依存するＳＯＡ３１の出力光信号の電力の変動を抑制する温度制御ループフィードバック信号Ｖ_ＴＦＢを出力する。そのため、注入電流Ｉ_ＳＯＡの温度依存性は、ＳＯＡ３１の出力光の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ＳＯＡ}の注入電流依存性の温度特性とは負の相関を示す。

温度補償回路３２１の形態には様々のものが考えられるが、例えばバイポーラトランジスタを用いたＮＯＴ回路を用いれば、参照電流ｋＩ_ＳＯＡの増減とは逆の振る舞いをするような出力を得ることができる。ＮＯＴ回路は、例えば、エミッタ接地ＮＰＮ型トランジスタを用い、コレクタに正電圧を供給し、ベースに参照電流ｋＩ_ＳＯＡ入力を入力するような構成とすることが例示できる。

この時の温度補償回路３２１の伝達関数はトランジスタの等価回路モデルから表現されるが、このときＳＯＡ３１の想定動作温度域においてデバイス温度Ｔに無依存であるか又はほぼ無依存になるように温度制御ＦＢ回路３２全体の伝達関数Ｇ_ｔ，ｆｂを決定すれば良い。例えば、温度制御ＦＢ回路３２は、光アンプ３１への注入電流Ｉ_ＳＯＡの温度依存性と逆の特性を持つ伝達関数Ｇ_ｔ，ｆｂを持つ回路、すなわち前述したＮＯＴ回路がＳＯＡ３１の温度特性を打ち消すような構成になるような回路を配置すれば、温度変動に伴うゲイン変動を抑制することができる。なお、ＳＯＡ３１の想定動作温度域は、例えば、１００℃から２００℃と見積もることができる。

本実施形態では、光制御ループフィードフォワード信号Ｖ_ＬＦＦ及び温度制御ループフィードバック信号Ｖ_ＴＦＢは別々に温度制御ＦＦ回路３３に入力される例を示した。しかし、温度制御ＦＦ回路３３への入力前に、光制御ループフィードフォワード信号Ｖ_ＬＦＦ及び温度制御ループフィードバック信号Ｖ_ＴＦＢが示す注入電流Ｉ_ＳＯＡの増減量を計算した後、注入電流Ｉ_ＳＯＡの量を温度制御ＦＦ回路３３に入力してもよい。その際、例えばオペアンプを用いた２入力差動増幅回路を構成することにより、ＶＴＦＢとｋＩＳＯＡの２つを入力値としてその差分に当たる出力を温度制御ＦＦ回路３３に入力すれば、簡便な構成とすることができる。その際、２入力差動増幅回路に対し温度補償機能が備わるような特性を持つトランジスタを用いれば、より高い温度補償効果を有する温度制御を付加的に実現することができる。

（光出力制御ループ）
図３に、本実施形態に係る出力光制御ループ２０の一例を示す。出力光制御ループ２０は、入力光信号の電力Ｐ_ｉｎ及び出力光信号の電力Ｐ_ｏｕｔに基づいて、出力光信号の電力Ｐ_ｏｕｔが出力電力目標値と等しくなるように、光アンプ３１への注入電流Ｉ_ＳＯＡの量を制御する。

光出力制御ＦＦ回路２１は、入力光信号の一部の電力値であるＰ_ｉｎ＿ｍから光アンプ３１に入力された入力光信号Ｐ_{ｉｎ＿ＳＯＡ}の電力値を算出し、光アンプ３１から出力される出力光信号の電力Ｐ_ｏｕｔが出力電力目標値と等しくなるように、光アンプ３１への注入電流Ｉ_ＳＯＡの量を制御する。光出力制御ＦＦ回路２１は、光アンプ３１への注入電流Ｉ_ＳＯＡの量を示す光制御ループフィードフォワード信号Ｖ_ＬＥＦを温度制御ＦＦ回路３３に出力する。

光出力制御ＦＢ回路２２は、出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆ及び出力光信号の一部の電力値である出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}が入力され、光制御ループフィードバック信号Ｖ_ＬＦＢを出力する。光制御ループフィードバック信号Ｖ_ＬＦＢは、温度制御ＦＢ回路３２に入力され、出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆから出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}を減算した値がゼロとなるように、光アンプへの注入電流量Ｉ_ＳＯＡを制御する。出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆから出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}を減算した値がゼロとなる場合、出力電力目標値と出力光信号の電力値Ｐ_ｏｕｔとは等しい。また、光出力制御ＦＢ回路２２は、注入電流Ｉ_ＳＯＡを増減させる光出力制御ループフィードバック信号Ｖ_ＬＦＢを温度制御ＦＢ回路３２に出力する。

ここで、温度以外の変動要因であるバースト光入力信号の電力Ｐ_ｉｎの変動は、図３の出力光制御ループ２０により抑制され、出力光信号の電力Ｐ_ｏｕｔが一定の出力になるように制御される。

光出力制御ＦＦ回路２１及び光出力制御ＦＢ回路２２に要求される応答速度は、通信速度や帯域割当周期にもよるが、例えば、数十μ秒〜１００μ秒以下であれば、遅延なく温度制御ＦＦ回路３３へ制御量を引き渡すことができる。引き続いて光出力制御ＦＦ回路２１で検出された入力バースト信号のピーク値を温度制御ＦＦ回路３３に入力し、注入する注入電流Ｉ_ＳＯＡを決定する。

光出力制御ＦＦ回路２１は、光電変換回路２１２と、ピークホールド回路２１１を備える。入力バースト信号の入力光電力Ｐ_ｉｎの一部（例えば、入力パワーの１％程度）は、入力光電力Ｐ_ｉｎ＿ｍとして抽出され、光出力制御ＦＦ回路２１へ入力される。光出力制御ＦＦ回路２１は、入力光電力Ｐ_ｉｎが変動しても一定の出力光の電力Ｐ_ｏｕｔを得るための注入電流Ｉ_ＳＯＡをＳＯＡ３１に供給する。

光出力制御ＦＦ回路２１に入力されたバースト信号の入力光電力Ｐ_ｉｎ＿ｍは、光電変換回路２１２を用いることによりモニタされる。光電変換回路２１２は、例えば、ＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）である。光電変換回路２１２の出力は、入力バースト信号の入力光電力Ｐ_ｉｎ＿ｍのピーク値を保持するためのピークホールド機能を有したピークホールド回路２１１へ入力される。この入力バースト信号の入力光電力Ｐ_ｉｎ＿ｍのピーク値を前述した温度制御ＦＦ回路３３のドライバ回路３３１へ入力して、入力バースト信号の入力光電力Ｐ_ｉｎ＿ｍに対応したＩ_ｓｏａを決定する。つまり、この光出力制御ループ２０ではバースト信号の入力光電力Ｐ_ｉｎ＿ｍごとに応じた注入電流Ｉ_ＳＯＡを決定し、前述した温度制御ループ３０ではその注入電流Ｉ_ＳＯＡの細かい変動を除去する、という機能の分担を行う。

引き続き、入力バースト信号の入力光電力Ｐ_ｉｎは光出力制御ループ２０・温度変動制御ループ３０で決定された注入電流Ｉ_ＳＯＡが注入されるＳＯＡ３１によって安定的に増幅され出力される。この時ＳＯＡ３１によって増幅されたバースト信号は、ＡＳＥノイズＮ_ＡＳＥが重畳されて出力される。ここで、（４）式の第２項のＢｎ^２がＡＳＥノイズＮ_ＡＳＥに相当する。

このＡＳＥノイズＮ_ＡＳＥを含んだＳＯＡ３１の出力光は、分岐部４２で出力光信号と出力モニタ用光信号に分岐される。出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}は、モニタ量として再び光出力制御ループ２０の中の光出力制御ＦＢ回路２２に入力される。

光出力制御ＦＢ回路２２は、光電変換回路２２３、ピークホールド回路２１１、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御回路２２１を備える。光出力制御ＦＢ回路２２は、出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}の電力値が、出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆと等しくなるように、注入電流Ｉ_ＳＯＡの電流値を制御する。出力バースト信号の出力光信号の電力Ｐ_ｏｕｔの一部である出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}は、光電変換回路２２３、ピークホールド回路２２２に入力され、出力バースト信号の出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}のピーク量は電気量として後段のＰＩＤ制御回路２２１に入力される。光電変換回路２２３は、例えばＰＤである。

ピークホールド回路２２２は、光電変換回路２２３で電気信号に変換された出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}のピーク値を保持する。ピークホールド回路２２２は、ＰＩＤ制御回路２２１に保持する出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}のピーク値を出力する。

出力光制御ＦＢ回路２２はＰＩＤ制御回路２２１を備えることにより、温度変動制御ループ３０で除去しきれなかったオフセットやＡＳＥノイズＮ_ＡＳＥの影響を除去し、バースト信号においても応答性のよい良好な制御を実現する。出力光制御ＦＢ回路２２では、出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆに対する制御量を決定する。図１の例では出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆは光として出力光制御ＦＢ回路２２へ入力しているが、図３のように光電変換回路２２３で出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}を光電変換した後に、ＰＩＤ制御回路２２１に電気的な参照量として出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆを入力し、出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆを入力するための光源を省く構造としてもよい。

最後に光出力制御ＦＢ回路２２で決定された出力が、光制御ループフィードバック量として、先に述べた温度制御ＦＦ回路３３へ偏差として入力されることにより、本実施形態の光信号増幅回路の制御系が完成される。ここで、光制御ループフィードバック量は、出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆから出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}の値を減算した量である。これら制御回路を、適切な時定数、ゲインの組み合わせで構築することにより、ＴＥＣやＶＯＡを省略しても安定なバースト信号対応光増幅装置を構築することができる。

本実施形態では、光出力制御ＦＢ回路２２へ入力される出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆ及び出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}は、別々に光出力制御ＦＢ回路２２に入力される例を示した。しかし、光出力制御ＦＢ回路２２への入力前に、出力電力参照値Ｐ_ｒｅｆが示す電力値から、出力モニタ用光信号の電力Ｐ_{ｏｕｔ＿ｍ}が示す電力値を減算した後、光出力制御ＦＢ回路２２に入力してもよい。その際、参照光とモニタ用光信号の位相差を１８０度となるよう制御し、光段における干渉を利用することによって減算を実現することができる。この場合は参照光とモニタ光で２つ必要だったＰＤを１つに減らすことができ、高い経済効果を実現することができる。

本発明の光信号増幅装置は、情報通信産業に適用することができる。

２０：出力光制御ループ
２１：光出力制御ＦＦ回路
２１１：ピークホールド回路
２１２：光電変換回路
２２：光出力制御ＦＢ回路
２２１：ＰＩＤ制御回路
２２２：ピークホールド回路
２２３：光電変換回路
３０：温度変動制御ループ
３１：ＳＯＡ
３２：温度制御ＦＢ回路
３２１：温度補償回路
３３：温度制御ＦＦ回路
３３１：ドライバ回路
４１：分岐部
４２：分岐部

Claims

入力光信号を出力電力目標値となるように増幅した出力光信号を出力する光信号増幅装置であって、
前記入力光信号を注入電流の量に応じて増幅し、前記出力光信号として出力する光アンプと、
前記入力光信号及び前記出力光信号の電力値に基づいて、前記出力光信号の電力値が前記出力電力目標値と等しくなるように、前記光アンプへの注入電流量を制御する光出力制御ループと、
前記光出力制御ループの制御する前記光アンプへの注入電流の増減量を用いて、前記光アンプの温度変化を算出し、当該温度変化に依存する前記光アンプの前記出力光信号の電力の変動を抑制するように、前記光出力制御ループの制御する前記光アンプへの注入電流量を制御する温度変動制御ループと、
を備える、
光信号増幅装置。
前記温度変動制御ループは、
前記光アンプに注入電流を供給し、前記注入電流に応じた参照電流を出力する温度制御フィードフォワード回路と、
前記参照電流の増減から前記光アンプの温度変化を算出し、前記光アンプの温度変化に依存する前記光アンプの前記出力光信号の電力の変動を抑制するように、前記温度制御フィードフォワード回路の供給する前記注入電流を増減させる温度制御フィードバック回路とを備え、
前記光出力制御ループは、
前記入力光信号の一部の電力値から前記光アンプに入力された前記入力光信号の電力値を算出し、前記光アンプから出力される前記出力光信号の電力が前記出力電力目標値と等しくなるように、前記光アンプへの注入電流量を制御する光出力制御フィードフォワード回路と、
前記出力電力目標値及び前記出力光信号の一部の電力値が入力され、前記出力電力目標値から前記出力光信号の電力値を減算した値がゼロとなるように、前記光アンプへの注入電流量を制御する光出力制御フィードバック回路と、備える、
請求項１に記載の光信号増幅装置。
前記温度制御フィードフォワード回路及び前記温度制御フィードバック回路のそれぞれの入出力間の遅延時間は、前記光出力制御フィードフォワード回路及び前記光出力制御フィードバック回路の入出力間の遅延時間のそれぞれより小さい、
請求項２に記載の光信号増幅装置。
前記光出力制御フィードフォワード回路は、前記光アンプへの注入電流量を示す光制御ループフィードフォワード信号を前記温度制御フィードフォワード回路に出力し、
前記温度制御フィードフォワード回路は、
前記光制御ループフィードフォワード信号が示す注入電流から、前記温度制御フィードバック回路からの温度制御ループフィードバック信号が示す前記光アンプの前記注入電流の増減量を減算した注入電流を前記光アンプに供給する、
請求項２又は３に記載の光信号増幅装置。
前記光出力制御フィードバック回路は、前記注入電流を増減させる光制御ループフィードバック信号を前記温度制御フィードバック回路に出力し、
前記温度制御フィードバック回路は、
前記光制御ループフィードバック信号が示す前記光アンプの前記注入電流の変化量から、前記参照電流の増減から算出した前記光アンプの温度変化を抑制するための前記注入電流の変化量を減算することによって、前記光アンプの温度変化を抑制する前記注入電流の増減量を算出する、
請求項２から４のいずれかに記載の光信号増幅装置。
前記温度制御フィードバック回路は、前記注入電流の増減量に対する前記光アンプの温度変化と負の相関を有する伝達関数を備え、前記伝達関数を参照して、前記参照電流の増減量に対応する前記光アンプの温度変化を算出する、
請求項２から５のいずれかに記載の光信号増幅装置。
前記光出力制御フィードバック回路は、
前記温度変動制御ループでのオフセット及び前記出力光信号に含まれるＡＳＥノイズを除去し、前記出力電力目標値から前記出力光信号に含まれるＡＳＥノイズを除去した後の電力値を減算した値がゼロとなるように、前記光アンプへの注入電流量をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御部を備える、
請求項２から６のいずれかに記載の光信号増幅装置。