JPH11163462A - 光波長安定制御装置、光送信器、光波長多重送信器 - Google Patents

光波長安定制御装置、光送信器、光波長多重送信器

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JPH11163462A
JPH11163462A JP9326341A JP32634197A JPH11163462A JP H11163462 A JPH11163462 A JP H11163462A JP 9326341 A JP9326341 A JP 9326341A JP 32634197 A JP32634197 A JP 32634197A JP H11163462 A JPH11163462 A JP H11163462A
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emitting element
temperature
optical wavelength
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Naohiko Baba
直彦 馬場
Hideyuki Serizawa
秀幸 芹澤
Akihiro Hayami
明弘 速見
Osamu Hatano
督 畑農
Yasuhiro Yamada
靖浩 山田
Tokuo Nakajo
徳男 中條
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＬＤ駆動電流増減に起因する波長ドリフト分
を長期にわたり補正し、光波長を高精度に安定化させる
ことができる光波長安定制御装置を提供する。 【解決手段】 光出力制御回路７により操作されるＬＤ
駆動電流をＬＤ駆動電流検出回路１により検出し、これ
をＬＤ駆動電流増減規格化部２により規格化し、規格化
された値に応じたＬＤ温度制御目標値を補正基準電圧生
成部３ａにより生成し、感温素子９および温度モニタ回
路１０により検出される温度モニタ回路出力値が、ＬＤ
温度制御目標値に近づくように、熱電子冷却素子１２に
流す電流値を電流制御部１１により制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子から出力
される光波長を安定化するための光波長安定制御装置に
係り、特に、光波長多重伝送に好適な光波長安定制御装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバを用いて光信号を伝送する光
通信システムにおいて、高度情報社会の発展に伴い伝送
容量の拡大が求められ、それを実現する手段として光波
長多重伝送が実用化されつつある。この光波長多重伝送
では、異なる光波長にそれぞれの信号を割り当てること
によって複数のチャネルを共通の伝送路で伝送してい
る。
【０００３】このような光波長多重伝送に使用される光
送信装置では、隣接する波長への干渉を防ぐため、±0.
2nm程度の高い精度の光波長の安定化が長期間に渡って
要求される。
【０００４】図２を参照して、従来の光送信器における
光波長安定化のための回路について説明する。
【０００５】光送信器における波長変動の要因として
は、半導体レーザの温度変動と、半導体レーザの駆動電
流変動とが挙げられる。図２に示す方法は、半導体レー
ザ５の温度を一定に保つことにより、光波長を安定化さ
せる方法である。感温素子９によりＬＤ温度を検出する
温度検出回路１０と、温度制御目標値となる基準温度電
圧を出力する基準電圧生成部３ｂとが設けられ、温度検
出回路出力と基準電圧生成部出力とを比較回路８で比較
し、これらの差を求める。電流制御部８では、比較部で
の比較値が零となるように電流制御部１１にて熱電子冷
却素子１２の駆動電流値を決定することにより光波長の
安定化を図っている。同様の方法が適用される例とし
て、例えば、特開昭57-186383号公報に記載される半導
体レーザ装置がある。
【０００６】ところが、半導体レーザの経時変化によ
り、同一の光出力を得るための消費電力（半導体レーザ
への入力電力）は、次第に増加する。このため、半導体
レーザの活性層の温度が上昇して、光波長が変動してし
まう。光出力を一定に制御し、かつ、活性層の温度を一
定にするための制御方法として、例えば、特開平6-2837
97号公報に記載される、半導体レーザの駆動電流と端子
電圧と出力光パワーを検出し、出力光パワーを一定にす
るように半導体レーザの駆動電流を制御すると同時に、
半導体レーザの経時変化により同一光パワーを得るため
の消費電力の増加による活性層の温度上昇を打ち消すよ
うにヒートシンクの温度を制御する波長安定化方法が挙
げられる。このような制御により、レーザ温度を長期に
わたって一定に制御することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、例え、温度
を一定にすることができたとしても、駆動電流が変動す
ると、出力されるレーザダイオード（以下、ＬＤと記
す）駆動電流が、同一の光出力を得るために増加させら
れると、これに伴って、光波長が変化してしまうという
問題がある。すなわち、図３に示すように長期的にはＬ
Ｄの経時劣化が発生して効率が低下する。これを補っ
て、ＬＤの光出力が一定になるように、ＬＤ駆動電流が
光出力回路によって制御される。このため、図４に示す
ようにＬＤ駆動電流値If(t)が増加する。光波長とＬＤ
駆動電流との間には、図５に示す関係が存在する。この
ため、ＬＤ駆動電流変動に起因する波長変動が発生す
る。図６に従来例における動作及び波長変動のタイミン
グチャート図を示す。経時劣化によりＬＤ駆動電流If
(t)が変動すると、基準電圧Vref1は初期設定値に固定さ
れているため、波長変動量は増大して変動分を補正でき
ない。
【０００８】この詳細について、以下に、数式を用いて
説明する。ＬＤ駆動電流増減に起因する波長ドリフト量
Δλ1は、(式１)のように表される。
【０００９】 Δλ1＝α・{If(tn)−If(t0)} …(式１) α ：駆動電流−波長変動変換定数 If(t0) ：初期時間t0における駆動電流値 If(tn) ：時間tnが経過した際の駆動電流値 一方、電流制御部の制御ループ誤差による波長ドリフト
量Δλ2が存在して、(式２)のように表される。
【００１０】 Δλ2＝(１／Ｇ)・Vatc・β・γ …(式２) Ｇ ：フィードバックループゲイン Vatc ：規格化部出力電圧値 β ：レーザ温度−波長変換定数 γ ：回路における温度−電圧変換定数 従って、従来の光波長安定制御方式における波長ドリフ
ト量Δλは、(式３)で表される。
【００１１】 Δλ＝Δλ1＋Δλ2 ＝α・{If(tn)−If(t0)}＋(１／Ｇ)・Vatc・β・γ …(式3) ここで、フィードバック安定条件から(式４)が得られ
る。
【００１２】 Vatc＝Ｇ・(Vth−Vref1) …(式４) Vth ：温度検出回路出力（ＬＤ温度） Vref1 ：基準電圧回路出力（初期設定温度） (式3)に(式４)を代入すると、Δλは(式５)の様に表さ
れる。
【００１３】 Δλ＝α・{If(tn)−If(t0)}＋(Vth−Vref1)・β・γ …(式５) (式５)より、温度検出電圧と基準電圧が等しく制御でき
た場合でも、α・{If(tn)−If(t0)}のＬＤ駆動電流増減
に起因する波長ドリフト分は補正できないことが数式の
上でも確認できる。
【００１４】本発明は、波長ドリフト分を長期にわたり
補正し、光波長を高精度に安定化させることができる光
波長安定制御回路を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の態様によれば、発光素子から出力さ
れる光波長を安定化するための光波長安定制御装置にお
いて、上記発光素子が駆動される発光素子駆動電流を検
知するための電流検知部と、上記発光素子の温度を制御
目標値に近づけるように制御するための温度制御部とを
有し、上記温度制御部は、上記制御目標値を、上記電流
検知部において検知される発光素子駆動電流に対応して
設定するための基準生成手段を有することを特徴とする
光波長安定制御装置が提供される。
【００１６】本発明の第２の態様によれば、発光素子、
受光素子、熱電子冷却素子と感温素子とを内蔵したレー
ザダイオードモジュールを搭載した光送信器において、
上記発光素子が駆動される発光素子駆動電流を変化させ
て光出力の安定制御をするための光出力制御回路と、上
記発光素子駆動電流を検出するための発光素子駆動電流
検出回路と、上記検出された発光素子駆動電流値を基に
発光素子駆動電流値の増減を規格化して出力するための
発光素子駆動電流増減規格化部と、上記規格化された発
光素子駆動電流値の増減に応じて発光素子温度制御目標
値を生成するための補正基準電圧生成部と、感温素子に
より上記発光素子温度を検出するための温度モニタ回路
と、上記検出された温度発光素子温度値および上記発光
素子温度制御目標値の差を検知するための比較回路と、
上記比較回路において検知された値が零となるように、
上記熱電子冷却素子に流す電流値を決定するための電流
制御部と上記電流制御部によって決定された電流値を上
記熱電子冷却素子に流すための熱電子冷却素子駆動回路
とを有することを特徴とする光送信器が提供される。
【００１７】本発明の第３の態様によれば、ダイオード
接合部における誘導放出を用いるレーザダイオードから
出力される光波長を安定化するための光波長安定化方法
において、レーザダイオードが駆動される駆動電流の変
化を検知し、当該駆動電流の変化に伴う光波長変動を補
償するようにダイオード接合部の温度を操作することを
特徴とする光波長安定化方法が提供される。
【００１８】本発明の第４の態様によれば、複数の異な
る波長の光を送信するための光波長多重送信器におい
て、複数のレーザダイオードと、上記複数のレーザダイ
オードが駆動される各々の駆動電流を検知するための電
流検知部と、上記複数のレーザダイオードの各々の温度
を制御するための温度制御部とを有し、上記温度制御部
は、上記複数のレーザダイオードの各々の温度を検知す
るための温度検知手段と上記複数のレーザダイオードの
各々を冷却するための冷却手段と、上記検知される駆動
電流の変化に対し、各レーザダイオードごとに予め定め
られた変換係数を用いて、各レーザダイオードごとに制
御目標温度を設定し、上記検知されるレーザダイオード
の各々の温度が、設定した制御目標値に近づくように、
上記冷却手段を制御する制御手段とを備えることを特徴
とする光波長多重送信器が提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。
【００２０】まず、図１を参照して、本発明を適用した
波長安定制御回路を備えた光送信器について説明する。
【００２１】図１において、光送信器は、発光素子（Ｌ
Ｄ）５と、受光素子（ＰＤ）６と熱電子冷却素子１２と
感温素子９とを内蔵したレーザダイオードモジュール１
００と、光出力制御回路７と、ＬＤ駆動電流検出回路１
と、ＬＤ駆動電流増減規格化部２と、補正基準電圧生成
部３ａと、電流−波長変換係数決定部４と、比較回路８
と、温度検出回路１０と、電流制御部１１とを有して構
成される。
【００２２】上記発光素子５としては、例えば、半導体
レーザ、より具体的には、例えば、レーザダイオードを
用いることができる。以下の説明では、本発明をレーザ
ダイオードに適用した場合を中心に説明する。
【００２３】上記受光素子６は、受光した光の強度を検
出するためのものである。受光素子６としては、例え
ば、フォトダイオードを用いることができる。
【００２４】上記熱電子冷却素子１２は、発光素子５か
ら外部に放熱させるように熱を移動させて、発光素子５
を冷却するためのものである。また、この逆向きに熱を
移動させる機能、すなわち、外部から発光素子５に吸熱
させるように、熱流を操作（熱を移動させる）する機能
を備えてもよい。熱電子冷却素子１２としては、例え
ば、ペルチェ素子を用いることができる。
【００２５】発光素子５から出力される光の一部は、受
光素子６に分岐され、その強度が検出される。受光素子
６で検出された出力値が一定になるように光出力制御回
路７によって駆動電流値が制御されている。ここで、光
の分岐は一定の比率で行われるため、上記検出された出
力値は、発光素子５の光出力に比例する。従って、発光
素子５からの光出力が上記駆動電流値の制御により安定
化される。
【００２６】上記ＬＤ駆動電流検出部１によって検出さ
れた駆動電流値は、ＬＤ駆動電流増加分規格化部２によ
り、初期値に対する増加分が規格値に規格化される。そ
して、この規格値は補正基準電圧生成部３ａに入力され
る。
【００２７】補正基準電圧生成部３ａでは、入力された
規格値と、電流−波長変換係数決定部４から入力される
電流−波長変換係数αとにより、経年劣化による光波長
ドリフト分を補正した設定温度値を作成して比較回路８
に出力する。
【００２８】比較部８では、入力された設定温度値と、
感温素子９により検出されるＬＤ温度との差を検出す
る。
【００２９】電流制御部１１では、比較部８において検
出された差が小さくなるように（例えば、零になるよ
う）熱電子冷却素子１２を駆動する電流値を決定するこ
とにより、発光素子５の光波長安定制御を行う。
【００３０】次に、図１および図７を参照して、上述し
た光波長安定制御の詳細について説明する。本発明を適
用した光波長安定制御装置において、発光素子５が劣化
すると、光出力を一定に保つように光出力制御回路（Au
to Poer Control;APC）７によってＬＤ駆動電流が増加
する。
【００３１】ＬＤ駆動電流増加量は、(tx＋ty）秒毎の
タイミングで検出され、ＬＤ駆動電流検出回路１とＬＤ
駆動電流増減規格化部２とを介して、規格化値If(tn)−
If(t0)として出力される。
【００３２】補正基準電圧生成部３ａにおいて、この規
格化された駆動電流増加値と電流−波長変換定数αとか
ら、光波長変動分を補正するために必要な電圧値Vref2
を求める演算を行う。そして、補正基準電圧生成部３ａ
は、補正基準電圧Vref1−Vref2を比較回路８に出力す
る。
【００３３】比較回路８は、ＬＤ温度検出値Vthと補正
基準電圧値とを比較し、その差を比較値Vatcとして出力
する。
【００３４】電流制御部１１は、比較値Vatcが零になる
ように熱電子冷却素子１２に流れる電流値IATCを制御す
る。
【００３５】上述した光波長安定制御の内容について、
数式を用いてさらに詳細に説明する。
【００３６】本発明を適用した波長安定制御装置におけ
る波長変動量Δλ'は、前出の(式３)と同様に(式６)の
ように表される。
【００３７】 Δλ'＝α・{If(tn)−If(t0)}＋(１／Ｇ)・Vatc・β・γ …(式６) 本発明を適用した光波長安定制御装置における制御系の
フィードバック安定条件は、(式７)のように表される。
【００３８】 Vatc＝Ｇ・(Vth−Vref1＋Vref2) …(式７) Vref2 ：光波長変動補正電圧（補正温度） いま、このVref2を Vref2＝−α・ΔIf／(β・γ) ＝−α・{If(tn)−If(t0)}／(β・γ) …(式８) となるように補正基準電圧生成部３ａ（図１参照）にて
演算を行う。
【００３９】(式７)、(式８)を代入すると、(式６)は(式
９)のように表すことができる。
【００４０】 Δλ'＝(Vth−Vref1）・β・γ …(式９) 従来方式における波長ドリフト分である前出の(式５)と
比較すると、α・{If(tn)−If(0)}のＬＤ駆動電流増減
に起因する波長ドリフト分を削除することができ、光波
長を高精度で安定化させることができる。
【００４１】α、βは、それぞれ制御されるレーザダイ
オードごとに決定するレーザダイオード固有の値であ
る。また、γは、制御系ごとに定める値であり、制御系
によって異なる値をとることがある。
【００４２】例えば、発光素子として、α＝0.008（nm/
mA）、β＝0.095nm/℃の分布帰還（distributed feedba
ck；DFB）型ＬＤが用いられ、これをγ＝10℃/Vの制御
系において制御する場合を考える。初期設定駆動電流If
(t0)＝60mAのＬＤが劣化してIf(tn)＝80mAとなった際
は、(式８)より、Vref2＝−0.168（V）が得られる。従
って、ＬＤ温度を初期設定温度より約1.68℃下げること
により光波長変動を補正することが可能となる。
【００４３】また、ＬＤ駆動電流検出回路１におけるＬ
Ｄ駆動電流値の検出を離散的にすることができる。検出
を離散的に行うことにより、制御系に２つのループが存
在するという制御不安定要因を除去できる。
【００４４】ここで、ウェイティング時間tyが長いほど
制御系の安定性を増すことができる。但し、ウェイティ
ング時間tyを長くすると、光波長最大変動誤差Δλmax
の値が大きくなる。
【００４５】このような離散的な検出として、例えば、
周期的な検出を行うことができる。より具体的には、例
えば、設定温度の変更が要求される駆動電流の変化がレ
ーザダイオードの経時変化により発生することが予想さ
れる周期を設定すること、また、前回検出された駆動電
流の増分が大きくなるほど、検出の間隔が短くなるよう
に、周期を動的に設定することなどができる。
【００４６】ＬＤ駆動電流を離散的にサンプリングする
ためには、例えば、補正基準電圧生成部３ａ（図１参
照）にマイコンを使用してクロック周波数で同期をとる
ことができる。このような方法によれば、ＬＤ駆動電流
を離散的にサンプリングすることができる補正基準電圧
生成部３ａ（図１参照）を簡便に構成することができ
る。
【００４７】また、ＬＤ駆動電流検出回路１（図１参
照）におけるＬＤ駆動電流値の検出に際し、サンプリン
グ時間txにて平均値検出を行うことができる。平均値検
出を行うことにより、電源ノイズなどの瞬時雑音の影響
がＬＤ駆動電流値に重畳されて制御精度が劣化すること
を防止できる。
【００４８】なお、上述した離散的なサンプリングと、
平均値検出とは組み合わせて適用することが勿論でき
る。すなわち、ＬＤ駆動電流検出回路１（図１参照）に
おけるＬＤ駆動電流値の検出を離散的に行い、かつ、サ
ンプリング時間txにて平均値検出を行うことができる。
これにより、制御系における制御不安定要因となる２つ
のループを除去し、かつ、検出されるＬＤ駆動電流値に
おける瞬時雑音の影響を低減することができる。従っ
て、制御系の安定性をより向上することができる。
【００４９】
【発明の効果】本発明によれば、発光素子が駆動される
ＬＤ駆動電流値を検出し、ＬＤ駆動電流値の変動に応じ
て、設定温度を設定することができる。すなわち、、経
年劣化による波長変動分を補正する設定温度を行うこと
が可能となる。従って、長期にわたる波長安定性を確保
することができる。
【００５０】また、ＬＤの駆動電流値の検出を離散的に
することによって、制御系に２つのループが存在する制
御不安定要因を除去することが可能となる。
【００５１】さらに、ＬＤの駆動電流値の検出をサンプ
リング時間txにて平均値検出を行うことによって、電源
ノイズなどの瞬時雑音の影響がＬＤ駆動電流値に重畳さ
れて制御精度が劣化することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光波長安定制御回路構成例を示すブ
ロック図である。
【図２】 従来の光波長安定化制御構成例を示すブロッ
ク図である。
【図３】 発光素子の電気光変換特性と時間との関係を
示す図である。
【図４】 発光素子の劣化を補償した場合の駆動電流と
時間との関係を示す図である。
【図５】 発光素子の駆動電流と波長ドリフト量との関
係を示す図である。
【図６】 従来例における動作及び波長変動のタイミン
グチャート図である。
【図７】 本発明が適用された動作および波長変動のタ
イミングチャート図である。
【符号の説明】
1…ＬＤ駆動電流検出回路、2…ＬＤ駆動電流増減規格化
回路、3a…補正基準電圧生成部、4…電流-波長変換係数
決定部、5…発光素子（ＬＤ）、6…受光素子（ＰＤ）、
7…光出力制御回路、8…比較回路、9…感温素子、10…
温度検出回路、11…電流制御部、12…熱電子冷却素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 畑農 督 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 株 式会社日立製作所情報通信事業部内 (72)発明者 山田 靖浩 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 株 式会社日立製作所情報通信事業部内 (72)発明者 中條 徳男 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 発光素子から出力される光波長を安定化
    するための光波長安定制御装置において、 上記発光素子が駆動される発光素子駆動電流を検知する
    ための電流検知部と、 上記発光素子の温度を制御目標値に近づけるように制御
    するための温度制御部とを有し、 上記温度制御部は、上記制御目標値を、上記電流検知部
    において検知される発光素子駆動電流に対応して設定す
    るための基準生成手段を有することを特徴とする光波長
    安定制御装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の光安定制御装置におい
    て、 上記基準生成手段は、上記電流検知部において検出され
    る発光素子駆動電流を、発光素子駆動電流について予め
    定められる初期値に対する偏差として規格化し、当該規
    格化した値に対応して上記制御目標値を設定することを
    特徴とする光波長安定制御装置。
  3. 【請求項３】 請求項１および２いずれか一項記載の光
    波長安定制御装置において、 上記電流検知部は、発光素子駆動電流値を、離散的な時
    間に検出することを特徴とする光波長安定制御装置。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の光波長安定制御装置にお
    いて、 上記電流検知部は、上記発光素子駆動電流値を検出する
    時間を設定するための周期設定手段を備え、 上記周期設定手段は、前回発光素子駆動電流値が検出さ
    れたときの発光素子駆動電流の増分が大きければより短
    い周期を、増分が小さければより長い周期を設定するこ
    とを特徴とする光波長安定制御装置。
  5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれか一項記載の光
    波長安定制御装置において、 上記電流検知部は、上記発光素子駆動電流値の、予め定
    められた時間における平均値を検出することを特徴とす
    る光波長安定制御装置。
  6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれか一項記載の光
    波長安定制御装置において、 上記発光素子から出力される光出力の一部を受光して光
    出力をモニタし、当該モニタされる光出力が予め定めら
    れた制御目標値に近づくように上記発光素子駆動電流を
    操作するための光出力制御回路をさらに備えることを特
    徴とする光波長安定制御装置。
  7. 【請求項７】 発光素子、受光素子、熱電子冷却素子お
    よび感温素子を内蔵したレーザダイオードモジュールを
    搭載した光送信器において、 上記発光素子が駆動される発光素子駆動電流を変化させ
    て光出力の安定制御をするための光出力制御回路と、 上記発光素子駆動電流値を検出するための発光素子駆動
    電流検出回路と、 上記検出された発光素子駆動電流値を基に発光素子駆動
    電流値の増減を規格化して出力するための発光素子駆動
    電流増減規格化部と、 上記規格化された発光素子駆動電流値の増減に応じて発
    光素子温度制御目標値を生成するための補正基準電圧生
    成部と、 感温素子により上記発光素子温度値を検出するための温
    度モニタ回路と、 上記検出された発光素子温度値、および、上記発光素子
    温度制御目標値の差を検知するための比較回路と、 上記比較回路において検知された差が小さくなるよう
    に、上記熱電子冷却素子に流す電流値を決定するための
    電流制御部と、 上記電流制御部によって決定された電流値を上記熱電子
    冷却素子に流すための熱電子冷却素子駆動回路とを有す
    ることを特徴とする光送信器。
  8. 【請求項８】 レーザダイオードから出力される光波長
    を安定化するための光波長安定化方法において、 レーザダイオードが駆動される駆動電流の変化を検知
    し、当該駆動電流の変化に伴う光波長変動を補償するよ
    うにレーザダイオードの温度を操作することを特徴とす
    る光波長安定化方法。
  9. 【請求項９】 複数の異なる波長の光を送信するための
    光波長多重送信器において、 複数のレーザダイオードと、 上記複数のレーザダイオードが駆動される各々の駆動電
    流を検知するための電流検知部と、 上記複数のレーザダイオードの各々の温度を制御するた
    めの温度制御部とを有し、 上記温度制御部は、 上記複数のレーザダイオードの各々の温度を検知するた
    めの温度検知手段と上記複数のレーザダイオードの各々
    を冷却するための冷却手段と、 上記検知される駆動電流の変化に対し、各レーザダイオ
    ードごとに予め定められた変換係数を用いて、各レーザ
    ダイオードごとに制御目標温度を設定し、上記検知され
    るレーザダイオードの各々の温度が、設定した制御目標
    値に近づくように、上記冷却手段を制御する制御手段と
    を備えることを特徴とする光波長多重送信器。
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