JP6467885B2

JP6467885B2 - 光増幅装置

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Inventors: 木下　進; 進木下; 節生吉田
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Filing date: 2014-11-20
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Description

本発明は、半導体光増幅器を含む光増幅装置に係わる。

半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を含む光増幅装置が実用化されている。ＳＯＡの光ゲインは、駆動電流により制御される。すなわち、ＳＯＡは、駆動電流に応じた光ゲインで入力光信号を増幅する。よって、所望の光レベル（例えば、所望の光パワー）の光信号を生成する場合、光増幅装置は、入力光信号のパワーを検出し、その検出した光パワーに応じた駆動電流をＳＯＡ素子に与える。

ただし、ＳＯＡの光ゲインは、ＳＯＡ素子の温度に依存する。このため、ＳＯＡを含む光増幅装置は、例えば、ＳＯＡ素子の周囲の温度を一定に制御する機能を備える。この場合、ＳＯＡ素子の周囲の温度は、例えば、ペルチェ素子を用いて制御される。

なお、下記の特許文献１〜３および非特許文献１〜２に関連技術が記載されている。

特許第４６４３５８７号（ＷＯ２００６／０４８９９４）特開２０１２−１６５１２７号公報特開２０１３−２２９８３６号公報

Uncooled, Polarization-insensitive AlGaInAs MQW-SOA Module Operable up to 75℃ with Constant Current, Shinsuke Tanaka et al., ECOC2011 Tu.6.LeSaleve.2 小型・低消費電力AlGaInAs MQW-SOAモジュールの開発、田中信介他、2012年、電子情報通信学会総合大会、Ｃ−４−２５

ペルチェ素子を用いてＳＯＡの周囲の温度を一定に制御する場合、ペルチェ素子に印加する駆動信号は、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）方式で生成される。ＰＷＭ方式で駆動信号を生成する構成では、ペルチェ素子を駆動するための消費電力が抑制される。しかし、ＰＷＭ制御は、スイッチング素子を高速でＯＮ／ＯＦＦすることにより実現される。また、光増幅装置のサイズを小さくするためには、ＳＯＡ素子の近傍にＰＷＭ制御回路が実装される。このため、ＰＷＭ方式でペルチェ素子の駆動信号を生成すると、ＳＯＡにより増幅される光信号にスイッチング雑音が付加されてしまう。

本発明の１つの側面に係わる目的は、温度一定制御を行うことなく、半導体光増幅器を用いて光信号のレベルを精度よく制御することである。

本発明の１つの態様の光増幅装置は、半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器の入力光パワーを検出する第１の検出器と、前記半導体光増幅器の出力光パワーを検出する第２の検出器と、前記半導体光増幅器の駆動電流を制御するコントローラと、を備える。そして、前記コントローラは、前記半導体光増幅器に光信号が入力されていないときに、所定の駆動電流を前記半導体光増幅器に供給する。前記第２の検出器は、前記半導体光増幅器に前記所定の駆動電流が供給されているときに、前記半導体光増幅器から出力されるＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）の光パワーを検出する。前記コントローラは、前記第１の検出器により検出される前記半導体光増幅器の入力光パワーおよび前記ＡＳＥの光パワーに基づいて、前記半導体光増幅器の駆動電流を制御する。

上述の態様によれば、温度一定制御を行うことなく、半導体光増幅器を用いて光信号のレベルを精度よく制御することができる。

光増幅装置が使用されるネットワークの一例を示す図である。第１の実施形態の光増幅装置の一例を示す図である。ＳＯＡの一例の特性を示す図である。第１の実施形態の検出部およびコントローラの構成の一例を示す図である。分岐フィルタの特性を示す図である。制御情報を格納するメモリの一例を示す図である。第２の実施形態の光増幅装置の一例を示す図である。光増幅装置の動作の概要を示すタイミングチャートである。ＳＯＡのＡＳＥスペクトルの温度変化の一例を示す図である。第２の実施形態の光増幅装置の動作を示すタイミングチャートである。第２の実施形態の光増幅装置の他の動作例を示すタイミングチャートである。ＳＯＡの入力側のＡＳＥに基づいて温度を検出する光増幅装置の一例を示す図である。波長依存性が抑制された光増幅装置の一例を示す図である。

図１は、本発明の１つの実施形態に係わる光増幅装置が使用されるネットワークの一例を示す。図１に示す例では、光増幅装置は、ＰＯＮ（Passive Optical Network）システムにおいて使用される。

ＰＯＮシステム１は、ＯＬＴ（Optical Line Terminal）局２および中継局３を含む。ＯＬＴ局２は、光ファイバ回線を介して各ユーザへデータを送信する。また、ＯＬＴ局２は、光ファイバ回線を介して各ユーザからデータを受信する。中継局３は、ＯＬＴ局２から送信される光信号を分岐して複数のユーザへ配信する。すなわち、中継局２は、光スプリッタとして動作する。また、中継器３は、複数のユーザから送信される光信号を多重化してＯＬＴ局２へ導くことができる。

中継局３は、光カプラ４および光増幅器５を含む。光カプラ４は、複数のユーザから送信される光信号を合波する。また、光増幅器５は、光カプラ４により合波された光信号を増幅する。

上記構成のＰＯＮシステム１において、各ユーザから送信される光信号の送信パワーは同じであるものとする。すなわち、ユーザＡから送信される光パケット信号ＰＡ、ユーザＢから送信される光パケット信号ＰＢ、ユーザＣから送信される光パケット信号ＰＣの送信パワーは互いに同じである。ところが、中継局３と各ユーザとの間の伝送距離は同じではない。この場合、中継局３に到着する光パケット信号のパワーは、ユーザ毎に異なる。図１に示す例では、中継局３とユーザＢとの間の伝送距離が最も短く、中継局３とユーザＣとの間の伝送距離が最も長い。この場合、中継局３において、光パケット信号ＰＢの受信パワーが最大であり、光パケット信号ＰＣの受信パワーが最小である。

ここで、仮に、中継局３の光増幅器は、受信光信号を一定の光ゲインで増幅するものとする。この場合、ＯＬＴ局２に到着する光パケット信号のパワーもユーザ毎に異なってしまう。そうすると、ＯＬＴ局２において、受信品質がユーザ毎に異なることになる。

そこで、光増幅装置５は、各ユーザから受信する光信号の入力光パワーをモニタし、その入力光パワーに応じて光ゲインを制御する。このとき、光増幅装置５は、駆動電流を制御することにより光ゲインを調整する。この結果、図１に示す例では、中継局３から出力される光パケット信号ＰＡ〜ＰＣのパワーがほぼ均一になっている。

なお、光パケット信号は、光バースト信号とも呼ばれる。また、図１に示すＰＯＮシステムは１つの実施例であり、光増幅装置５は、他の構成のネットワークで使用されてもよい。

＜第１の実施形態＞
図２は、本発明の第１の実施形態の光増幅装置の一例を示す。第１の実施形態の光増幅装置１０は、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）１１、光カプラ１２、光遅延線１３、検出部１４、測温素子１５、コントローラ１６、ドライバ１７を含む。なお、光増幅装置１０は、例えば、図１に示すＰＯＮシステム１において使用される光増幅装置５に相当する。

ＳＯＡ１１は、与えられる駆動電流に対応するゲインで入力光信号を増幅する。但し、ＳＯＡ１１のゲインは、駆動電流だけでなく、温度および波長にも依存する。ＳＯＡの一例の特性を図３に示す。横軸は、入力光の波長を表す。縦軸は、ＳＯＡのゲインを表す。駆動電流は、２００ｍＡである。

光カプラ１２は、入力光信号を分岐してＳＯＡ１１および検出部１４導く。すなわち、光カプラ１２は、光スプリッタとして動作する。光遅延線１３は、光カプラ１２とＳＯＡ１１との間に設けられ、入力光信号を遅延させる。光遅延線１３の長さは、検出部１４およびコントローラ１６の処理に要する時間に基づいて決定される。例えば、光遅延線１３による遅延時間が、検出部１４およびコントローラ１６が駆動電流を決定するために要する時間よりも長くなるように、光遅延線１３の長さが決定される。

検出部１４は、入力パワー検出部１４ａおよび波長検出部１４ｂを含む。入力パワー検出部１４ａは、受光素子（例えば、フォトダイオード）を含み、ＳＯＡ１１への入力光のパワーを検出する。波長検出部１４ｂは、ＳＯＡ１１への入力光の波長を検出する。そして、検出部１４は、ＳＯＡ１１への入力光のパワーを表す入力パワー情報、およびＳＯＡ１１への入力光の波長を表す波長情報を生成する。

測温素子１５は、ＳＯＡ１１の近傍に配置され、ＳＯＡ１１の温度を測定する。測温素子１５は、特に限定されるものではないが、例えば、サーミスタまたは白金測温体により実現される。測温素子１５の出力信号は、ＳＯＡ１１の温度を表す温度情報としてコントローラ１６に与えられる。

コントローラ１６は、入力パワー情報、波長情報、温度情報に基づいて、ＳＯＡ１１の駆動電流を制御する。このとき、コントローラ１６は、ＳＯＡ１１から出力される光パケット信号のパワーが所望の出力光パワーとなるように、ＳＯＡ１１に供給する駆動電流を決定する。そして、コントローラ１６は、決定した駆動電流を表す電流指令信号を出力する。ドライバ１７は、コントローラ１６により生成される電流指令信号に応じて、ＳＯＡ１１に駆動電流を供給する。

上記構成の光増幅装置１０において、光パケット信号Ｐ１、Ｐ２が順番に入力されるものとする。この場合、コントローラ１６は、光パケット信号Ｐ１の入力光パワーを表す入力パワー情報、光パケット信号Ｐ１の波長を表す波長情報、ＳＯＡ１１の温度を表す温度情報に基づいて、光パケット信号Ｐ１の出力パワーを目標レベルに調整するための駆動電流を決定する。そして、コントローラ１６は、決定した駆動電流を表す電流指令信号を生成し、ドライバ１７は、この電流指令信号に応じて駆動電流をＳＯＡ１１に供給する。この結果、光パケット信号Ｐ１の光パワーは目標レベルに制御される。

同様に、コントローラ１６は、光パケット信号Ｐ２の入力光パワーを表す入力パワー情報、光パケット信号Ｐ２の波長を表す波長情報、ＳＯＡ１１の温度を表す温度情報に基づいて、光パケット信号Ｐ２の出力パワーを目標レベルに調整するための駆動電流を決定する。そして、コントローラ１６は、決定した駆動電流を表す電流指令信号を生成し、ドライバ１７は、この電流指令信号に応じて駆動電流をＳＯＡ１１に供給する。この結果、光パケット信号Ｐ２の光パワーも目標レベルに制御される。

図４は、第１の実施形態の検出部１４およびコントローラ１６の構成の一例を示す。この実施例では、検出部１４は、分岐フィルタ２１、受光器（ＰＤ）２２、２３、Ａ／Ｄコンバータ２４、２５、加算器２６、除算器２７を含む。なお、ＳＯＡ１１への入力光は、光カプラ１２により分岐されて分岐フィルタ２１に導かれる。

分岐フィルタ２１は、入力光を分岐して透過ポートＴおよび反射ポートＲを介して出力する。透過ポートＴを介して出力される透過光は、受光器２２に導かれる。一方、反射ポートＲを介して出力される反射光は、受光器２３に導かれる。

図５は、分岐フィルタ２１の特性を示す。分岐フィルタ２１の透過率および反射率は、入力光の波長に依存する。この実施例では、透過ポートＴを介して出力される透過光の強度は、図５（ａ）に示すように、波長に対して単調に減少する。反射ポートＲを介して出力される反射光の強度は、図５（ｂ）に示すように、波長に対して単調に増加する。

受光器２２は、分岐フィルタ２１の透過ポートＴを介して出力される透過光を電気信号に変換する。受光器２２の出力信号は、透過ポートＴを介して出力される透過光の強度を表す。同様に、受光器２３は、分岐フィルタ２１の反射ポートＲを介して出力される反射光を電気信号に変換する。受光器２３の出力信号は、反射ポートＴを介して出力される反射光の強度を表す。Ａ／Ｄコンバータ２４は、受光器２２の出力信号をデジタル信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータ２５は、受光器２３の出力信号をデジタル信号に変換する。

加算器２６は、Ａ／Ｄコンバータ２４の出力信号とＡ／Ｄコンバータ２５の出力信号との和を計算する。すなわち、加算器２６は、透過光の強度と反射光の強度との和を計算する。したがって、加算器２６の出力信号は、入力光のパワーを表す。即ち、分岐フィルタ２１、受光器２２、２３、Ａ／Ｄコンバータ２４、２５、加算器２６により、入力光のパワーを表す入力パワー情報が生成される。なお、加算器２６の出力信号は、図５（ｃ）に示すように、波長に対してほぼ一定である。

除算器２７は、Ａ／Ｄコンバータ２４の出力信号とＡ／Ｄコンバータ２５の出力信号との和でＡ／Ｄコンバータ２５の出力信号を割り算する。すなわち、除算器２７は、透過光の強度と反射光の強度との和で反射光の強度を割り算する。透過光の強度と反射光の強度との和は入力光のパワーであるので、除算器２７は、実質的に、入力光のパワーで反射光の強度を割り算することになる。ここで、図５（ａ）〜図５（ｂ）に示すように、透過光の強度は波長に対して単調に減少し、反射光の強度は波長に対して単調に増加する。このため、入力光のパワーで反射光の強度を割り算した値は、図５（ｄ）に示すように、入力光の波長に依存するが、入力光のパワーには依存しない。換言すれば、入力光のパワーで反射光の強度を割り算した値を計算すれば、入力光の波長を推定することができる。よって、除算器２７の出力信号は、実質的に、入力光の波長を表す。即ち、分岐フィルタ２１、受光器２２、２３、Ａ／Ｄコンバータ２４、２５、除算器２７により、入力光の波長を表す波長情報が生成される。

コントローラ１６には、上述のようにして検出部１４により生成される入力パワー情報および波長情報が与えられる。また、ＳＯＡ１１の温度を表す温度情報は、図２に示す測温素子１５からコントローラ１６に与えられる。

コントローラ１６は、ＳＯＡ１１の出力光パワーを目標レベルに制御するための、ＳＯＡ１１の入力光パワー、ＳＯＡ１１の温度、ＳＯＡ１１への入力光の波長、ＳＯＡ１１の駆動電流の組合せを表す制御情報を格納するメモリを含む。あるいは、コントローラ１６は、そのようなメモリにアクセスすることができる。

図６は、制御情報を格納するメモリの一例を示す。この例では、制御情報は、ルックアップテーブルに格納されている。ルックアップテーブルは、目標出力光パワー毎に作成される。出力光パワーの目標レベルは、標準規格などに応じて決定される。或いは、出力光パワーの目標レベルは、ユーザにより指定される。各ルックアップテーブルは、この実施例では、６ビットのアドレスに対してデータを格納する。データは、指定された目標出力光パワーを得るための駆動電流を表す。

アドレスの第１〜第２ビットは、入力光パワーを表す。例えば、「００」〜「１１」は下記の入力光パワーを表す。
００：−８〜−６[dBm]
０１：−６〜−４[dBm]
１０：−４〜−２[dBm]
１１：−２〜０[dBm]

アドレスの第３〜第４ビットは、入力光の波長を表す。例えば、「００」〜「１１」は下記の波長を表す。
００：１３００〜１３０５[nm]
０１：１３０５〜１３１０[nm]
１０：１３１０〜１３１５[nm]
１１：１３１５〜１３２０[nm]

アドレスの第５〜第６ビットは、温度を表す。例えば、「００」〜「１１」は下記の温度を表す。
００：０〜２０[℃]
０１：２０〜４０[℃]
１０：４０〜６０[℃]
１１：６０〜８０[℃]

この場合、コントローラ１６は、入力パワー情報と閾値（-6dBm、-4dBm、-2dBm）とを比較して、入力パワー情報を２ビットのアドレスデータに変換する回路を含むように構成してもよい。また、コントローラ１６は、波長情報と閾値（1305nm、1310nm、1315nm）とを比較することにより、波長情報を２ビットのアドレスデータに変換する回路を含むように構成してもよい。さらに、コントローラ１６は、温度情報と閾値（２０℃、４０℃、６０℃）とを比較することにより、温度情報を２ビットのアドレスデータに変換する回路を含むように構成してもよい。

コントローラ１６は、上述のルックアップテーブルを参照して駆動電流を決定する。このとき、コントローラ１６は、ユーザにより指定される出力光パワーの目標レベルに対応するルックアップテーブルを選択する。一例として、コントローラ１６は、下記の入力パワー情報、波長情報、温度情報を受信するものとする。
入力光パワー：-1dBm
入力光の波長：1317nm
ＳＯＡ１１の温度：４５℃

この場合、コントローラ１６は、アドレス「１１１１１０」でルックアップテーブルを参照し、「駆動電流＝ｙｙｙ８」を得る。そうすると、コントローラ１６は、「駆動電流＝ｙｙｙ８」に対応する電流指令信号を出力し、ドライバ１７は、この電流指令信号に応じて駆動電流をＳＯＡ１１に供給する。この結果、ＳＯＡ１１から出力される光信号のパワーは、目標レベルに制御される。

なお、ルックアップテーブルは、例えば、測定またはシミュレーションにより予め作成される。また、図６に示す実施例では、入力光パワー、波長、温度がそれぞれ２ビットで表されているが、それぞれ３ビット以上で表されるようにしてもよい。さらに、出力光パワーの目標レベルが規格等により決められているときは、光増幅装置１０は、その目標レベルに対応する１つのルックアップテーブルのみを備える構成であってもよい。

このように、第１の実施形態においては、光増幅装置１０は、ＳＯＡ１１の温度を測定し、その測定結果を利用してＳＯＡ１１の駆動電流を制御する。このため、光増幅装置１０は、ＳＯＡ１１の温度を一定に制御する機能を備える必要はない。一例として、光増幅装置１０は、ＳＯＡ１１の温度を制御するためのペルチェ素子およびペルチェ素子を駆動するＰＷＭ回路を備える必要はない。よって、第１の実施形態によれば、温度一定制御に起因するスイッチング雑音が発生しないので、光信号に付加される雑音が抑制される。

＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の第２の実施形態の光増幅装置の一例を示す。第２の実施形態の光増幅装置３０は、ＳＯＡ１１、光カプラ１２、光遅延線１３、検出部１４、ドライバ１７、光カプラ３１、受光器（ＰＤ）３２、コントローラ３３を含む。なお、第１の実施形態の光増幅器１０と同様に、光増幅装置３０も、例えば、図１に示すＰＯＮシステム１において使用される光増幅装置５に相当する。また、ＳＯＡ１１、光カプラ１２、光遅延線１３、検出部１４、ドライバ１７は、第１および第２の実施形態において実質的に同じなので、説明を省略する。

光カプラ３１は、ＳＯＡ１１の出力光を分岐して受光器３２に導く。すなわち、光カプラ３１は、光スプリッタとして動作する。受光器３２は、光カプラ３１から導かれてくるＳＯＡ１１の出力光を電気信号に変換する。受光器３２の出力信号は、ＳＯＡ１１の出力光の強度を表す。受光器３２の出力信号は、ＳＯＡ１１の出力光のパワーを表す出力パワー情報としてコントローラ３３に与えられる。

コントローラ３３は、入力パワー情報、波長情報、出力パワー情報に基づいて、ＳＯＡ１１の光ゲインを制御する。なお、入力パワー情報および波長情報は、第１の実施形態と同様に、検出部１４により生成される。

コントローラ３３は、温度検出部３３ａ、タイミングコントローラ３３ｂ、電流コントローラ３３ｃを含む。温度検出部３３ａは、ＳＯＡ１１の出力光のパワーを表す出力パワー情報に基づいてＳＯＡ１１の温度を検出する。タイミングコントローラ３３ｂは、ＳＯＡ１１に駆動電流を供給するタイミングを制御する。電流コントローラ３３ｃは、ＳＯＡ１１に供給する電流を制御する。

図８は、光増幅装置３０の動作の概要を示すタイミングチャートである。ここでは、入力ポートを介して光パケット信号Ｐ１が入力されるときの光増幅装置３０の動作を示す。ただし、図８においては、ＳＯＡ１１の温度を検出する動作は省略されている。また、入力ポートから検出部１４までの遅延時間は、光遅延線１３による遅延時間Ｄと比較して十分に短く、無視するものとする。

光増幅装置３０に光パケット信号Ｐ１が入力されると、検出部１４およびコントローラ３３は、入力光パワーの立上りエッジを検出する。図８に示す例では、時刻Ｔ１において入力光パワーの立上りエッジが検出されている。そうすると、タイミングコントローラ３３ｂは、入力光パワーの立上りエッジの検出に応じて、ＳＯＡ１１への駆動電流の供給を開始するタイミングを決定する。一例としては、時刻Ｔ１（入力光パワーの立上りエッジが検出されたとき）から遅延時間Ｄ（光遅延線１３による遅延時間）が経過した時刻（図８では、時刻Ｔ２）が、駆動電流の供給を開始するタイミングとして特定される。

電流コントローラ３３ｃは、入力光パワーの立上りエッジが検出されると、ＳＯＡ１１の駆動電流を決定する演算を開始する。すなわち、電流コントローラ３３ｃは、入力パワー情報、波長情報、温度情報を取得する。入力パワー情報および波長情報は、上述したように、検出部１４により生成される。温度情報は、後で説明するが、温度検出部３３ａによって生成される。なお、電流コントローラ３３ｃがＳＯＡ１１の駆動電流を決定するために要する時間は、光遅延線１３による遅延時間Ｄよりも短いものとする。換言すれば、電流コントローラ３３ｃがＳＯＡ１１の駆動電流を決定するために要する時間よりも、光遅延線１３による遅延時間Ｄの方が長くなるように、光遅延線１３の長さが設計されている。

電流コントローラ３３ｃは、取得した入力パワー情報、波長情報、温度情報に基づいて駆動電流を決定する。このとき、電流コントローラ３３ｃは、取得した入力パワー情報、波長情報、温度情報を利用して図６に示すルックアップテーブルを参照し、対応する駆動電流データを取得する。そして、電流コントローラ３３ｃは、タイミングコントローラ３３ｂにより特定されたタイミング（図８では、時刻Ｔ２）において、駆動電流データを表す電流指令信号を出力する。そうすると、ドライバ１７は、電流指令信号に応じて駆動電流を生成する。この結果、ＳＯＡ１１は、電流コントローラ３３ｃにより決定された駆動電流に対応する光ゲインで光パケット信号Ｐ１を増幅する。

検出部１４およびコントローラ３３は、入力光パワーの立下りエッジを検出する。そして、コントローラ３３は、入力光パワーの立下りエッジが検出されたタイミングから遅延時間Ｄが経過したときに、駆動電流を停止する。

このように、コントローラ３３は、光パケット信号が光遅延線１３を伝搬している期間に、入力パワー情報、波長情報、温度情報に基づいて駆動電流を決定する。そして、コントローラ３３は、決定した駆動電流をＳＯＡ１１に供給する。

次に、第２の実施形態においてＳＯＡ１１の温度を検出する方法を説明する。第２の実施形態においては、ＳＯＡ１１のＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）を利用してＳＯＡ１１の温度が検出される。

図９は、ＳＯＡ１１のＡＳＥスペクトルの温度変化の一例を示す。この例では、ＳＯＡ１１は、AlGaInAsで形成されている。また、ＳＯＡ１１の駆動電流は、150mAである。そして、ＡＳＥスペクトルは、ＳＯＡ１１に光が入力されていない状態で測定されたものである。

ＳＯＡ１１のＡＳＥスペクトルは、図９に示すように、温度に依存する。具体的には、ＳＯＡ１１の温度が低いときはＡＳＥパワーは大きく、ＳＯＡ１１の温度が上昇するにつれてＡＳＥパワーは低下してゆく。なお、ＡＳＥパワーは、図９に示す特性カーブを積分することで得られる値に相当する。ここで、ＳＯＡ１１の駆動電流が一定であるものとすると、ＡＳＥパワーは、ＳＯＡ１１の温度に一意に依存する。具体的には、ＳＯＡ１１の活性層温度の上昇に対して、ＡＳＥパワーは単調に減少する。したがって、ＳＯＡ１１に予め指定された駆動電流が供給されている状態でＡＳＥパワーを測定すれば、ＳＯＡ１１の温度を検出することができる。

そこで、コントローラ３３は、ＳＯＡ１１に光信号が入力されていないときに、所定の駆動電流をＳＯＡ１１に供給し、ＡＳＥパワーを検出する。このとき、タイミングコントローラ３３ｂは、例えば、入力パワー検出部１４ａの検出結果に基づいて、ＳＯＡ１１に光信号が入力されていない期間を特定する。また、電流コントローラ３３ｃは、ドライバ１７を利用して、予め指定された所定の駆動電流をＳＯＡ１１に供給する。

そうすると、駆動電流に応じたＡＳＥ光がＳＯＡ１１から出力される。このＡＳＥのパワーは、上述したように、ＳＯＡ１１の温度に依存する。受光器３２は、ＳＯＡ１１から出力されるＡＳＥ光を電気信号に変換する。そして、温度検出部３３ａは、受光器３２の出力信号に基づいて、ＳＯＡ１１の温度を検出する。すなわち、温度検出部３３ａは、ＳＯＡ１１のＡＳＥパワーに基づいて、ＳＯＡ１１の温度を検出する。

図１０は、第２の実施形態の光増幅装置３０の動作を示すタイミングチャートである。この例では、光増幅装置３０に光パケット信号Ｐ１〜Ｐ３が順番に入力される。

時刻Ｔ１において光パケット信号Ｐ１が光増幅装置３０に入力される。この光パケットＰ１は、光遅延線１３を介して伝搬され、時刻Ｔ２においてＳＯＡ１１に入力される。すなわち、Ｔ１とＴ２との間の時間Ｄは、光遅延線１３の遅延時間に相当する。また、光パケット信号Ｐ１は、光カプラ１２により分岐されて検出部１４に導かれる。

検出部１４は、光パケット信号Ｐ１の入力光パワーを表す入力パワー情報および光パケット信号Ｐ１の波長を表す波長情報を生成する。また、コントローラ３３のタイミングコントローラ３３ｂは、入力パワー情報に応じて、ＳＯＡ１１に駆動電流を供給するタイミングを特定する。なお、以下の記載では、入力ポートから検出部１４へ至る光パスの遅延時間、検出部１４の検出時間、コントローラ３３の処理時間は、無視するものとする。

タイミングコントローラ３３ｂは、入力光パワーの立上りエッジを検出する。この例では、時刻Ｔ１において入力光パワーの立上りエッジが検出される。そうすると、タイミングコントローラ３３ｂは、時刻Ｔ２を決定する。時刻Ｔ２は、入力光パワーの立上りエッジが検出された時刻Ｔ１に時間Ｄを加算することにより得られる。時間Ｄは、光遅延線１３の長さに対応するので、既知である。さらに、タイミングコントローラ３３ｂは、時刻Ｔｘを決定する。時刻Ｔｘは、時刻Ｔ２から時間ΔＴを引算することにより得られる。時間ΔＴは、特に限定されるものではないが、例えば、コントローラ３３の動作クロックの周期に相当する。

電流コントローラ３３ｃは、時刻Ｔｘ〜Ｔ２において、予め指定された電流Ｉｘを表す電流指令信号を生成する。また、ドライバ１７は、この電流指令信号に応じて、ＳＯＡ１１に駆動電流Ｉｘを供給する。このとき、ＳＯＡ１１には、光信号は入力されていない。そして、ＳＯＡ１１は、駆動電流Ｉｘに応じたＡＳＥ光を出力する。ＳＯＡ１１から出力されるＡＳＥ光は、光カプラ３１により分岐され、受光器３２により電気信号に変換される。温度検出部３３ａは、受光器３２の出力信号に基づいて、ＳＯＡ１１の温度を検出する。ここで、電流コントローラ３３ｃは、例えば、図６に示すルックアップテーブルを利用して駆動電流を決定するものとする。この場合、温度検出部３３ａは、受光器３２の出力信号を予め用意されている閾値と比較することにより、２ビットのアドレスデータを生成する。

このように、コントローラ３３は、ＳＯＡ１１に光信号が入力されていない期間にＡＳＥパワーを検出することにより、ＳＯＡ１１の温度を検出する。具体的には、コントローラ３３は、ＳＯＡ１１に光信号が入力される直前にＡＳＥパワーを検出することにより、ＳＯＡ１１の温度を検出する。

続いて、電流コントローラ３３ｃは、光パケット信号Ｐ１の入力光パワーを表す入力パワー情報、光パケット信号Ｐ１の波長を表す波長情報、ＳＯＡ１１の温度を表す温度情報に基づいて駆動電流を決定する。入力パワー情報および波長情報は、検出部１４に導かれる光パケット信号Ｐ１から検出される。なお、入力パワー情報および波長情報は、たとえば、図４に示す回路により生成される。また、温度情報は、上述したように、温度検出部３３ａにより生成される。

電流コントローラ３３ｃは、例えば、図６に示すルックアップテーブルを利用して駆動電流を決定する。この場合、入力パワー情報、波長情報、温度情報は、それぞれ２ビットのアドレスデータに変換される。そして、電流コントローラ３３ｃは、ルックアップテーブルから対応する駆動電流データを取得し、電流指令信号を生成する。電流指令信号は、時刻Ｔ２〜Ｔ３において出力される。この結果、時刻Ｔ２〜Ｔ３において、入力パワー情報、波長情報、温度情報に対応する駆動電流がＳＯＡ１１に供給され、ＳＯＡ１１から出力される光パケット信号Ｐ１のパワーが目標レベルに制御される。なお、時刻Ｔ３は、入力光パワーの立下りエッジが検出された時刻に時間Ｄを加算することにより得られる。

図１０に示す例では、光パケット信号Ｐ１に対して駆動信号Ｉ（１）が生成され、光パケット信号Ｐ１の出力パワーが目標レベルＰｚに制御されている。光パケット信号Ｐ２、Ｐ３を増幅する動作は、実質的に光パケット信号Ｐ１と同じである。すなわち、光パケット信号Ｐ２に対して駆動信号Ｉ（２）が生成され、光パケット信号Ｐ２の出力パワーが目標レベルＰｚに制御される。また、光パケット信号Ｐ３に対して駆動信号Ｉ（３）が生成され、光パケット信号Ｐ３の出力パワーも目標レベルＰｚに制御される。

このように、第２の実施形態の光増幅装置３０は、各光パケット信号がＳＯＡ１１に入力される直前にＳＯＡ１１の温度を検出し、その検出結果に応じてＳＯＡ１１の駆動電流を制御する。このため、光増幅装置３０は、精度よく検出されたＳＯＡ１１の温度を考慮して、ＳＯＡ１１の駆動電流を制御できる。したがって、第２の実施形態によれば、光パケット信号の出力パワーを精度よく目標レベルに制御できる。

また、光増幅装置３０は、ＳＯＡ１１のＡＳＥパワーを利用してＳＯＡ１１の温度を検出する。ここで、ＳＯＡ１１の温度が変化すると、実質的に遅延なしで、その温度変化に応じてＡＳＥパワーも変化する。よって、第２の実施形態によれば、ＳＯＡ１１の温度を精度よく検出できる。なお、ＳＯＡ１１の近傍に測温素子を設ける構成では、ＳＯＡ１１から測温素子へ熱が伝達されるまでに少なくとも１０ｍ秒の時間を要する。ところが、光パケット信号の長さは１０ｎ秒〜１ｍ秒程度である。このため、この構成では、光パケット信号がＳＯＡ１１を通過するときのＳＯＡ１１の温度を精度よく検出することは困難である。

＜他の実施形態＞
図７に示す実施例では、光増幅装置３０は、ＳＯＡ１１の温度を制御するための回路を備えていないが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、光増幅装置３０は、ＳＯＡ１１を冷却するため回路（例えば、ペルチェ素子）を備えていてもよい。ただし、ペルチェ素子を利用してＳＯＡ１１の温度を一定に制御する構成では、駆動回路の雑音が光信号に付加されるおそれがある。よって、１つの実施例としては、温度一定制御は行わず、ペルチェ素子に一定の駆動電流を供給する。この場合、ペルチェ素子を備えていない構成と比較してＳＯＡ１１の温度が低くなるので、光増幅装置３０は、光ゲインの大きい領域で効率よく光信号を増幅できる。

図１０に示す実施例では、光パケット信号がＳＯＡ１１に入力される直前にＳＯＡ１１の温度が検出されるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、温度検出部３３ａは、光パケット信号がＳＯＡ１１を通過していない任意の期間に、ＳＯＡ１１の温度を検出することができる。この場合、温度検出部３３ａは、入力光パワーの立上りエッジを検出することなく、ＡＳＥパワーを測定するための駆動電流を生成してもよい。また、温度検出部３３ａは、すべての光パケット信号に対してそれぞれＳＯＡ１１の温度を検出しなくてもよい。図１１に示す例では、３個の光パケット信号Ｐ１〜Ｐ３に対して２回の温度検出が行われている。この場合、光パケット信号Ｐ１、Ｐ２の駆動電流はＡＳＥ１の光パワーを利用して制御され、光パケット信号Ｐ３の駆動電流はＡＳＥ３の光パワーを利用して制御される。

或いは、光増幅装置３０は、所定の時間間隔でＳＯＡ１１の温度を繰り返し検出してもよい。ただし、温度検出を実行すべきタイミングに光パケット信号がＳＯＡ１１を通過している場合、コントローラ３３は、温度検出を実行しない。

さらに、光パケット信号を受信しない期間が既知であるときは、光増幅装置３０は、その期間にＳＯＡ１１の温度を検出してもよい。例えば、光増幅装置３０が図１にＰＯＮシステム１において使用される場合、ＯＬＴ局２は、各ユーザからＯＬＴ局２へ送信される上り信号を管理することができる。この場合、光増幅装置３０は、上り信号が存在しない時間帯を表す情報をＯＬＴ局２から取得し、その情報に従ってＳＯＡ１１の温度を検出するタイミングを決定してもよい。

図７に示す実施例では、光増幅装置３０は、ＳＯＡ１１の出力側のＡＳＥに基づいてＳＯＡ１１の温度を検出するが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、光増幅装置３０は、ＳＯＡ１１の入力側のＡＳＥに基づいてＳＯＡ１１の温度を検出してもよい。なお、ＳＯＡ１１に駆動電流が供給されると、ＳＯＡ１１の出力側だけでなく、ＳＯＡ１１の入力側にもＡＳＥ光が放出される。ＳＯＡ１１の入力側に放出されるＡＳＥ光のパワーも温度に依存する。

図１２は、ＳＯＡ１１の入力側のＡＳＥに基づいて温度を検出する光増幅装置の一例を示す。このケースでは、光増幅装置３０は、光カプラ４１、４２を有する。光カプラ４１は、光遅延線１３とＳＯＡ１１との間に設けられる。そして、光カプラ４１は、ＳＯＡ１１の入力側に放出されるＡＳＥ光を光カプラ４２に導く。光カプラ４２は、光カプラ１２と検出部１４との間に設けられる。光カプラ４２は、入力ポートを介して受信する光信号およびＳＯＡ１１のＡＳＥ光を検出部１４に導く。

検出部１４およびコントローラ３３の機能は、図７および図１２において実質的に同じである。ただし、図１２に示す構成では、ＳＯＡ１１の入力側に放出されるＡＳＥ光のパワーは、入力パワー検出部１４ａにより検出される。そして、温度検出部３３ａは、入力パワー検出部１４ａにより検出されるＡＳＥパワーに基づいてＳＯＡ１１の温度を検出する。

図７および図１２に示す実施例では、光増幅装置３０は、光パケット信号の入力光パワー、光パケット信号の波長、ＳＯＡ１１の温度に基づいて、出力光パワーを目標レベルに近づけるように駆動電流を制御するが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、光増幅装置３０は、光パケット信号の波長を考慮せずに、光パケット信号の入力光パワーおよびＳＯＡ１１の温度に基づいて駆動電流を制御してもよい。例えば、光信号が配置される波長帯の幅が狭いときは、波長を考慮しないで駆動電流を決定してもよい。また、光信号が配置される波長帯においてＳＯＡの光ゲインが波長に対してフラットであるときも、波長を考慮しないで駆動電流を決定してもよい。

図１３は、波長依存性が抑制された光増幅装置の一例を示す。この光増幅装置は、図１３（ａ）に示すように、複数の光増幅装置３０ａ〜３０ｃを直列に接続することにより構成される。各光増幅装置３０ａ〜３０ｃの構成および機能は、実質的に、図７または図１２に示す光増幅装置３０と同じである。ただし、各光増幅装置３０ａ〜３０ｃのゲイン特性は、互いに異なっている。例えば、図１３（ｂ）に示すように、光増幅装置３０ａ〜３０ｃのゲインＧａ〜Ｇｃのピークが得られる波長は互いに異なっている。なお、ＳＯＡ素子の組成および構造を変えることにより、所望のゲイン特性が得られるものとする。そして、各光増幅装置３０ａ〜３０ｃは、ゲインＧａ〜Ｇｃを足し合わせることで得られるトータルゲインＧが波長に対してフラットになるように駆動電流を制御する。このように、トータルゲインＧが波長に対してフラットであるときは、光増幅装置は、光パケット信号の波長を考慮せずに、光パケット信号の入力光パワーおよびＳＯＡの温度に基づいて駆動電流を制御することができる。

上述の実施例では、光増幅装置３０は、各光パケット信号の光パワーを目標レベルに制御するレベルコントローラとして動作するが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、光増幅装置３０は、指定された光パケット信号の光パワーを目標レベルに制御すると共に、他の光パケット信号を遮断する光スイッチとして動作することも可能である。この場合、光増幅装置３０は、例えば、特定のユーザの信号を遮断することができる。

１ＰＯＮシステム
５、１０、３０光増幅装置
１１半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１２、３１、４１、４２光カプラ
１３光遅延線
１４検出部
１４ａ入力パワー検出部
１４ｂ波長検出部
１５測温素子
１６コントローラ
２１分岐フィルタ
２２、２３受光器
２６加算器
２７除算器
３２受光器
３３コントローラ
３３ａ温度検出部
３３ｂタイミングコントローラ
３３ｃ電流コントローラ

Claims

半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器の入力光パワーを検出する第１の検出器と、
前記半導体光増幅器の出力光パワーを検出する第２の検出器と、
前記半導体光増幅器の駆動電流を制御するコントローラと、
前記半導体光増幅器への入力光を分岐して前記第１の検出器に導く光スプリッタと、
前記光スプリッタと前記半導体光増幅器との間に設けられる光遅延線と、を備え、
前記コントローラは、前記半導体光増幅器に光信号が入力されていないときに、前記光遅延線における光の伝搬遅延時間より短い時間幅で所定の駆動電流を前記半導体光増幅器に供給し、
前記第２の検出器は、前記半導体光増幅器に前記所定の駆動電流が供給されているときに、前記半導体光増幅器から出力されるＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）の光パワーを検出し、
前記コントローラは、前記第１の検出器により検出される前記半導体光増幅器の入力光パワーおよび前記ＡＳＥの光パワーに基づいて、前記半導体光増幅器の駆動電流を制御する
ことを特徴とする光増幅装置。
前記コントローラは、前記第１の検出器により検出される入力光パワーに基づいて、前記半導体光増幅器に光信号が入力されていない期間に前記半導体光増幅器に前記所定の駆動電流を供給する
ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
前記コントローラは、前記第１の検出器により前記半導体光増幅器の入力光パワーの立上りエッジが検出されたタイミングに基づいて、前記半導体光増幅器に光信号が入力される前に前記半導体光増幅器に前記所定の駆動電流を供給する
ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
前記半導体光増幅器への入力光の波長を検出する波長検出器をさらに備え、
前記コントローラは、前記半導体光増幅器の入力光パワー、前記ＡＳＥの光パワー、および前記半導体光増幅器への入力光の波長に基づいて、前記半導体光増幅器の駆動電流を制御する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光増幅装置。
前記半導体光増幅器の出力光パワーを指定された目標レベルに制御するための、前記半導体光増幅器の入力光パワー、前記半導体光増幅器の温度、前記半導体光増幅器への入力光の波長、前記半導体光増幅器の駆動電流の組合せを表す制御情報を格納するメモリをさらに含み、
前記コントローラは、前記半導体光増幅器の入力光パワー、前記ＡＳＥの光パワーに基づいて算出される前記半導体光増幅器の温度、および前記半導体光増幅器への入力光の波長に基づいて、前記メモリに格納されている制御情報を参照して、前記半導体光増幅器の駆動電流を決定する
ことを特徴とする請求項４に記載の光増幅装置。
前記半導体光増幅装置を冷却する冷却素子をさらに備える
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の光増幅装置。
半導体光増幅器と、
光パワーを検出する検出器と、
前記半導体光増幅器の駆動電流を制御するコントローラと、
前記半導体光増幅器への入力光を分岐して前記検出器に導く光スプリッタと、
前記光スプリッタと前記半導体光増幅器との間に設けられる光遅延線と、を備え、
前記コントローラは、前記半導体光増幅器に光信号が入力されていないときに、前記光遅延線における光の伝搬遅延時間より短い時間幅で所定の駆動電流を前記半導体光増幅器に供給し、
前記検出器は、前記半導体光増幅器に前記所定の駆動電流が供給されているときに、前記半導体光増幅器から出力されるＡＳＥの光パワーを検出し、
前記コントローラは、前記検出器により検出される前記半導体光増幅器への入力光信号のパワーおよび前記ＡＳＥの光パワーに基づいて、前記半導体光増幅器の駆動電流を制御する
ことを特徴とする光増幅装置。
半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器の入力光パワーを検出する第１の検出器と、
前記半導体光増幅器の出力光パワーを検出する第２の検出器と、
前記半導体光増幅器の駆動電流を制御するコントローラと、
前記半導体光増幅器への入力光を分岐して前記第１の検出器に導く光スプリッタと、
前記光スプリッタと前記半導体光増幅器との間に設けられる光遅延線と、を備え、
前記コントローラは、前記第１の検出器により検出される入力光パワーが立ち上がるタイミングを表す第１のタイミングおよび前記光遅延線の長さ基づいて、前記半導体光増幅器の入力光パワーが立ち上がるタイミングを表す第２のタイミングを決定し、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとの間に、所定の駆動電流を前記半導体光増幅器に供給し、
前記第２の検出器は、前記半導体光増幅器に前記所定の駆動電流が供給されているときに、前記半導体光増幅器から出力されるＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）の光パワーを検出し、
前記コントローラは、前記第１の検出器により検出される前記半導体光増幅器の入力光パワーおよび前記ＡＳＥの光パワーに基づいて、前記半導体光増幅器の駆動電流を制御する
ことを特徴とする光増幅装置。