JPWO2018168702A1 - コヒーレント光送受信装置およびコヒーレント光送受信システム - Google Patents

Abstract

（課題）装置の製造にかかる工数やコストを低減する。（解決手段）コヒーレント光送受信装置１００の内部を暖めるヒータ部１１０と、コヒーレント光送受信装置１００の内部温度を測定する温度センサ１２０と、温度センサ１２０が測定した温度が所定の範囲に含まれるようにヒータ部１１０を制御する温度制御部１３０とを有する。

Description

本発明は、コヒーレント光送受信装置およびコヒーレント光送受信システムに関する。

近年、通信トラフィックの急激な増加により、伝送容量の拡大が必要となっている。光通信モジュールは光ネットワークシステムのキーデバイスであり、システムの高速・大容量化に伴い、光通信モジュールの小型化・高速化・低価格化が求められている。光通信システムの大容量化を解決する手段として多値位相変調を利用したデジタルコヒーレント通信が一般的となっている。デジタルコヒーレント通信用のコヒーレント光送受信装置についても、高速かつ小型化を満たしたうえで低価格化が求められている。低価格を実現するためには、構成部品のコストダウンとともに、製造過程で発生する調整・試験工程の短縮によるコスト削減も必要である。

また、一般的に、コヒーレント光送受信装置はデータセンタや局舎などに収容される。
そのため、製品の動作環境としては比較的温暖な環境状態であることが多いものの、一般的な光トランシーバに準ずる厳しい温度条件での動作を保証できる必要が求められているため、これがコスト増加の一因ともなっている。

光送受信装置として一般的に代表されるコヒーレント光送受信装置は、装置内部にレーザ光源、光変調器、光受信モジュールおよびフォトダイオードといった光モジュール群と、光変調器を制御する複数のドライバアンプあるいはデータ信号や装置全体を制御するデジタル信号処理部といったＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）とから構成される。このような装置は、例えば装置の外側面温度が０℃から８０℃までの使用温度条件で使用されることを想定して製作される。そのため、装置に内蔵される部品には、このような温度範囲の使用に耐えられるものを選定する必要がある。また、コヒーレント光送受信装置では、光出力および光波形品質を、温度範囲の全域において最適な状態にする調整と、その結果を確認する温度特性試験とを実施する必要がある。内蔵される光モジュールやコヒーレント光送受信装置の温度特性を補間する調整および確認試験は数時間から数十時間に及ぶとともに、高額な検査機器を使用する必要もあり製造コストのかかる要因である。

これに対して、小型の光モジュール部品では、ペルチェ素子等を使用して製品全体の温度制御を行うことも可能である。しかしながら、コヒーレント光送受信装置は、複数の光モジュールを組み合わせていることから、光モジュールと比べて大型且つ高発熱体であり、ペルチェ素子等による製品全体の温度制御は困難である。

そこで、ペルチェ素子を使用せずに、半導体レーザの温度を調整する技術が考えられている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−０９４２００号公報

特許文献１に記載された技術においては、光素子単体の温度調整を行うことを特徴としており、装置全体の温度を調整することができない。これにより、装置の製造にかかる工数やコストを低減することができないという問題点がある。

本発明の目的は、上記課題を解決するコヒーレント光送受信装置およびコヒーレント光送受信システムを提供することにある。

本発明のコヒーレント光送受信装置は、
当該コヒーレント光送受信装置の内部を暖めるヒータ部と、
当該コヒーレント光送受信装置の内部温度を測定する温度センサと、
前記温度センサが測定した温度が所定の範囲に含まれるように前記ヒータ部を制御する温度制御部とを有する。

また、本発明のコヒーレント光送受信システムは、
コヒーレント光送受信装置と、温度制御装置とを有し、
前記コヒーレント光送受信装置は、
当該コヒーレント光送受信装置の内部を暖めるヒータ部と、
当該コヒーレント光送受信装置の内部温度を測定する温度センサとを有し、
前記温度制御装置は、前記温度センサが測定した温度が所定の範囲に含まれるように前記ヒータ部を制御する。

以上説明したように、本発明においては、装置の製造にかかる工数やコストを低減することができる。

本発明のコヒーレント光送受信装置の第１の実施の形態を示す図である。 本発明のコヒーレント光送受信装置の第２の実施の形態を示す図である。 本形態におけるコヒーレント光送受信装置の側面図の一例を示す図である。 ドライバアンプ設定の温度依存性の一例を示す図である。 図２に示したヒータ部の形状が円筒状である場合の構造の一例を示す図である。 図２に示したヒータ部の形状が板状である場合の構造の一例を示す図である。 本発明のコヒーレント光送受信装置の第３の実施の形態を示す図である。 ＣＦＰ（Ｃｅｎｔｕｍ ｇｉｇａｂｉｔ Ｆｏｒｍ Ｆａｃｔｏｒ Ｐｌｕｇｇａｂｌｅ）タイプのパッケージ構造にヒータ機能を内蔵した一構成例の側面図である。

以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のコヒーレント光送受信装置の第１の実施の形態を示す図である。本発明のコヒーレント光送受信装置１００は図１に示すように、ヒータ部１１０と、温度センサ１２０と、温度制御部１３０とを有する。なお、図１には、本発明のコヒーレント光送受信装置が具備する構成要素のうち、本実施の形態に関わる主要な構成要素の一例を示す。

ヒータ部１１０は、コヒーレント光送受信装置１００の内部を暖める。

温度センサ１２０は、コヒーレント光送受信装置１００の内部温度を測定する。

温度制御部１３０は、温度センサ１２０が測定した温度が所定の範囲に含まれるようにヒータ部１１０を制御する。

このように、装置内部の温度が所定の範囲に含まれるようにヒータを制御する。これにより、製造過程で発生する周囲温度に関する調整・試験工程が短縮され、装置の製造にかかる工数やコストを低減することができる。
（第２の実施の形態）
図２は、本発明のコヒーレント光送受信装置の第２の実施の形態を示す図である。本発明のコヒーレント光送受信装置１０１は図２に示すように、ヒータ部１１１と、温度センサ１２１と、温度制御部１３１とを有する。なお、図２には、本発明のコヒーレント光送受信装置が具備する構成要素のうち、本実施の形態に関わる主要な構成要素の一例を示す。

ヒータ部１１１は、コヒーレント光送受信装置１０１の内部を暖める。

温度センサ１２１は、コヒーレント光送受信装置１０１の内部温度を測定する。

温度制御部１３１は、温度センサ１２１が測定した温度が所定の範囲に含まれるようにヒータ部１１１を制御する。温度制御部１３１は、コヒーレント光送受信装置１０１の内部に搭載された演算回路の演算量を制御することで、温度センサ１２１が測定した温度が所定の範囲に含まれるようにヒータ部１１１を制御するものであっても良い。

コヒーレント光送受信装置１０１は、図２に示した構成要素のほか、内部にレーザ光源、光変調器、光受信モジュール、フォトダイオードといった光モジュール群と、変調器を制御する複数のドライバアンプや、データ信号や装置全体を制御するデジタル信号処理部とを内蔵している。これらの構成要素はすべてが発熱源であり、この中でもとりわけデジタル信号処理部は高い発熱量となる。これら発熱源の影響で、環境温度が２５℃で運用した場合でも、運転開始直後から装置全体では５０℃を上回る温度に達する場合がある。

図３は、本形態におけるコヒーレント光送受信装置１０１の側面図の一例を示す図である。図３に示すように、コヒーレント光送受信装置１０１はヒートシンク１４１を有する。また、例えば、コヒーレント光送受信装置１０１の内部に設けられたＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）１５１の下部にヒータ部１１１が設けられ、上部に温度センサ１２１および温度制御部１３１が設けられている。温度センサ１２１がコヒーレント光送受信装置１０１の内部の温度をモニタし、温度制御部１３１が装置内温度を例えば７５℃となるようにヒータ部１１１を制御する。周囲環境温度が５０℃相当となる場合は、ヒータ部１１１を駆動せずとも装置内温度は７５℃に達するため、温度制御を切断する。

一方、周囲環境温度が低い場合、例えば、周囲環境温度が０℃である場合は、温度制御部１３１は、温度センサ１２１が測定する温度が７５℃となるようにヒータ部１１１への通電量を増やして温度制御を実施する。

このように、温度制御部１３１が温度制御を実施することで、装置内部は常に７５℃で運用されることとなるため、装置の動作温度を周囲環境によらず限定できることになる。

図４は、ドライバアンプ設定の温度依存性の一例を示す図である。図４に示すように、２５℃でのドライバアンプの出力振幅を６Ｖ、光変調器の出力波形のクロスポイントを５０％の理想状態に設定した場合、５５℃では振幅が０．１３Ｖ低下し、クロスポイントは２％も低下してしまう。この温度依存性が製品の伝送特性の劣化要因となるため、一般的にはこの誤差を無視できるように製品の製造過程で、製品が温度保証している全温度域にわたって調整を実施する。一方、本実施の形態に示すヒータ内蔵型にすることで製品動作温度を一定にし、温度補償を不要化することができる。

図５は、図２に示したヒータ部１１１の形状が円筒状である場合の構造の一例を示す図である。図５に示すように、コヒーレント光送受信装置１０１は、図２に示したヒータ部１１１の形状が円筒状である場合の円筒型ヒータ１１２を封入するための円筒状のヒータ挿入孔Ａ１６１とヒータ挿入孔Ｂ１７１とを有する。円筒型ヒータ１１２が図３に示したＰＣＢ１５１の下部に設けられたヒータ挿入孔Ａ１６１に封入された場合、ＰＣＢ１５１からの輻射熱を利用し製品全体を暖めることもできる。また、円筒型ヒータ１１２が図３に示したＰＣＢ１５１の上部に設けられたヒータ挿入孔Ｂ１７１に封入された場合、ＰＣＢ１５１の上部から製品を暖めることもできる。

図６は、図２に示したヒータ部１１１の形状が板状である場合の構造の一例を示す図である。図６に示すように、コヒーレント光送受信装置１０１は、ヒートシンク付き上蓋１８１と、ベース１９１とに分割され、ベース１９１の空き領域に図２に示したヒータ部１１１の形状が板状である場合の板型ヒータ１１３が設けられる。板型ヒータ１１３は、リードワイヤ１９２を介して外部から給電される。このように、板型ヒータ１１３を配置することで、その輻射熱を利用することが可能である。この場合は、この板型ヒータ１１３の上面にＰＣＢ基板や光モジュールを配置することで、製品全体を暖めることができる。

このように、製品全体を暖めることができる位置にヒータ部１１１を配置し、温度制御部１３１が装置の内部温度を制御する。これにより、製造過程で発生する周囲温度に関する調整・試験工程が短縮され、装置の製造にかかる工数やコストを低減することができる。
（第３の実施の形態）
図７は、本発明のコヒーレント光送受信装置の第３の実施の形態を示す図である。図７に示すように、本形態におけるコヒーレント光送受信装置１０２は、温度制御を外部の装置に実行させる。図７に示すように、コヒーレント光送受信装置１０２は、ヒータ部１１１と、温度センサ１２１とを有し、コヒーレント光送受信装置１０２の外部に設けられた温度制御装置２０１が、温度センサ１２１が測定した温度が所定の範囲に含まれるようにヒータ部１１１を制御する。このコヒーレント光送受信装置１０２と温度制御装置２０１とからコヒーレント光送受信システムを構成する。

本形態のように、外部に接続された装置からヒータ部１１１を制御する場合、電力を外部から供給できることでコヒーレント光送受信装置１０２の消費電力の抑制と、ヒータ駆動回路の削減による製品サイズの肥大化を抑えることができる。このとき、コヒーレント光送受信装置１０２の温度センサ１２１から取得した値に基づいて、温度制御装置２０１がヒータ部１１１への通電をコントロールして温度をコントロールする。ここで、温度制御装置２０１がコヒーレント光送受信装置１０２の上面に設けられたヒートシンク１４１へ吹き付けるファン風量も同時にコントロールすることで、より緻密な温度制御を行うことも可能である。

一般的なコヒーレント光送受信装置は、製品の内部温度のモニタ値を外部出力する機能を既に有しているため、外部から温度制御できるヒータ通電部を設けておくことでコヒーレント光送受信装置１０２の構成が実現可能である。

図８は、ＣＦＰ（Ｃｅｎｔｕｍ ｇｉｇａｂｉｔ Ｆｏｒｍ Ｆａｃｔｏｒ Ｐｌｕｇｇａｂｌｅ）タイプのパッケージ構造にヒータ機能を内蔵した一構成例の側面図である。
図８に示すように、ＰＣＢ１５１の下部にヒータ部１１１が設けられたものであっても良いし、ＰＣＢ１５１の上部とヒートシンク１４１との間にヒータ部１１１が設けられたものであっても良い。１００Ｇ Ｅｔｈｅｒｎｅｔの業界標準であるＣＦＰタイプは小型で且つ、より高密度な実装が行われている。そのため、ヒータを用いた温度上昇が容易である。上述した実施形態と同様に、温度制御を内部制御とする場合、および外部制御とする場合のいずれも、ヒータ部１１１の通電の仕方により選択可能である。

このように、製品自体にヒータ部１１１を内蔵することでコヒーレント光送受信装置１０２全体を常に一定の温度で運用できるようになり、内蔵している光モジュール部品の動作保証温度を一定、あるいは、非常に限られた温度範囲のみに限定できる。そのため、その製造・検査コストの削減につながる。また、コヒーレント光送受信装置の調整・試験工程も、１つの動作温度、あるいは、非常に限られた温度範囲のみに限定できる。そのため、コヒーレント光送受信装置の製造コストを下げることが可能となる。また、製品の動作温度を高温にあわせることから、システムのファンレス運用を前提として設計することが可能である。
（変形例）
コヒーレント光送受信装置としては、４０Ｇ／１００Ｇ／２００Ｇ／４００Ｇデジタルコヒーレントトランシーバとともに、ＣＦＰ２／ＣＦＰ４なども含まれる。コヒーレント光送受信装置の構成部品である光モジュールの個数は１つだけではなく複数個の場合も想定される。

また、第２の実施の形態でも説明したが、ヒータ部として、内蔵しているデジタル信号処理部自体の発熱を利用することも可能である。デジタル信号処理部に高負荷な演算を疑似的に実施させることで発熱量を増やしたり、デジタル信号処理部に低負荷な演算を行わせる、または演算を停止することで発熱量を抑えたりすることで、新たにヒータ部を設けずとも自己発熱のみでコヒーレント光送受信装置自体の温度コントロールを実現することもできる。

なお、ＰＣＢ１５１に搭載された部品の発熱量に基づいて、これらの部品の配置を調整するものであっても良い。また、装置内温度は、例えば、７０℃±５℃程度が考えられる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる
この出願は、２０１７年３月１５日に出願された日本出願特願２０１７−０４９７９０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００〜１０２ コヒーレント光送受信装置
１１０，１１１ ヒータ部
１１２ 円筒型ヒータ
１１３ 板型ヒータ
１２０，１２１ 温度センサ
１３０，１３１ 温度制御部
１４１ ヒートシンク
１５１ ＰＣＢ
１６１ ヒータ挿入孔Ａ
１７１ ヒータ挿入孔Ｂ
１８１ ヒートシンク付き上蓋
１９１ ベース
１９２ リードワイヤ
２０１ 温度制御装置

Claims (8)

1. コヒーレント光送受信装置であって、
   前記コヒーレント光送受信装置の内部を暖めるヒータと、
   前記コヒーレント光送受信装置の内部温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサが測定した温度が所定の範囲に含まれるように前記ヒータを制御する温度制御手段とを有するコヒーレント光送受信装置。
2. 前記温度制御手段は、前記コヒーレント光送受信装置の内部に搭載された演算回路の演算量を制御することで、前記温度センサが測定した温度が前記所定の範囲に含まれるように前記ヒータを制御する、
   請求項１に記載されたコヒーレント光送受信装置。
3. さらにヒートシンクを有する、請求項１又は２に記載されたコヒーレント光送受信装置。
4. 前記ヒータは、その形状が板状である、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載されたコヒーレント光送受信装置。
5. 前記ヒータは、その形状が円筒状である、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載されたコヒーレント光送受信装置。
6. コヒーレント光送受信装置と、温度制御装置とを有し、
   前記コヒーレント光送受信装置は、
   前記コヒーレント光送受信装置の内部を暖めるヒータと、
   前記コヒーレント光送受信装置の内部温度を測定する温度センサとを有し、
   前記温度制御装置は、前記温度センサが測定した温度が所定の範囲に含まれるように前記ヒータを制御するコヒーレント光送受信システム。
7. ヒータを用いてコヒーレント光送受信装置の内部を暖め、
   前記コヒーレント光送受信装置の内部温度を測定し、
   前記内部温度が所定の範囲に含まれるように前記ヒータを制御する、
   温度制御方法。
8. 前記コヒーレント光送受信装置の内部に搭載された演算回路の演算量を制御することで、前記内部温度が前記所定の範囲に含まれるように前記ヒータを制御する、
   請求項７に記載された温度制御方法。

Images