JP2004056830A - バースト信号消光比制御回路及びその集積回路、バースト信号消光比制御方法、コンピュータプログラム並びにレーザダイオード駆動回路 - Google Patents

バースト信号消光比制御回路及びその集積回路、バースト信号消光比制御方法、コンピュータプログラム並びにレーザダイオード駆動回路 Download PDF

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哲也 長井
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Abstract

 【課題】 高速なバースト信号を光信号に変換するレーザダイオードの消光比を一定に保つ。
 【解決手段】 変調電流Imを通常の値としたバースト#1の平均光パワーと変調電流をわずかに増やしたバースト#2の平均光パワーとの差が基準値と等しくなるよう、また、変調電流Imを通常の値としたバースト#3の平均光パワーが基準値と等しくなるように制御する。
【選択図】 図1

Description

 本発明はパケット通信におけるデジタルデータの光伝送において使用するレーザダイオードの消光比を制御するバースト信号消光比制御回路及びその集積回路、バースト信号消光比制御方法、コンピュータプログラム並びにレーザダイオード駆動回路に関する。
 パケット通信におけるデジタルデータの光伝送を行うために用いられるレーザダイオードの典型的な特性を図4に示す。横軸はレーザダイオードに流れる電流Id、縦軸はレーザダイオードからの光出力パワーPoutである。線甲は、ある温度での特性である。Idを0から徐々に増加させると、初めのうちは光出力パワーPoutは、ほとんど増加しないが閾値電流値を超えたところ(X点)から光出力パワーPoutは比較的線形に増加する。デジタル電気信号を光信号に変換するには、この線形領域を使用する。そのためには「L」を送信するときはバイアス電流Ibを流し、「H」を送信するときにはそれに加えて変調電流Imを流すようにする。これにより、光出力パワーは「L」のときPL、「H」のときPHとなる。
 このとき、消光比はPH/PLで定義される。また、デジタル信号のマーク率(複数ビット中の“1”の割合)が0.5であれば平均出力パワー(平均光パワーとも言う)は(PH+PL)/2で表される。
 しかしながら、温度変化や経時変化により特性が線乙のようになったとすると、消光比、平均光パワーを等しく保つには、バイアス電流Ibと変調電流Imを図に示すようにIb'、Im'へと変化させなければならない。このように消光比や平均光パワーを一定に制御する制御回路が既に提案されている。
 図5は下記の特許文献1などに示されている従来の制御回路の第1の構成例を示す。図5には制御回路5の他、レーザダイオード512、変調電流源515、バイアス電流源516、レーザダイオード512の光の一部を電気信号に変換するモニタフォトダイオード511が示されている。バースト出力中はスイッチ513が接続状態となりレーザダイオード512には常にバイアス電流Ibが流れる。バースト中、データが「L」の場合はレーザダイオード512にはIbの電流が流れるだけであるが、データが「H」である場合はスイッチ514が接続状態となり、レーザダイオード512にはIb+Imの電流が流れる。なお実際にはバースト開始より若干早くスイッチ513を接続状態にするプリバイアス動作を行うことが多いが、本発明とは直接関係がないため、その説明は省略する。
 光バースト信号がレーザダイオード512から発せられると、その一部をモニタフォトダイオード511が電流に変換する。その電流信号は電流−電圧変換部(I/V)51によって電圧信号に変換される。最大値検出部52及び最小値検出部53は、それぞれ電圧信号の最大値、最小値を検出する。Im/Ib制御部54はそれらの値が図4におけるPH、PLに一致するように変調電流Imとバイアス電流Ibを求め、変調電流源515、バイアス電流源516にそれらの値を設定する。このようにして消光比が一定になるように制御していた。
 図6は下記の特許文献2などに示されている従来の制御回路の第2の構成例を示す。図6には制御回路6の他、レーザダイオード612、パイロット電流源614、変調電流源615、バイアス電流源616、レーザダイオード612の光の一部を電気信号に変換するモニタフォトダイオード611が示されている。データが「L」である場合は、スイッチ613が開放状態となり、レーザダイオード612には、Ib+Ipの電流が流れる。データが「H」である場合は、スイッチ613が接続状態となり、レーザダイオード612には、Ib+Im+Ipの電流が流れる。
 パイロット発振器64からは正弦波信号が出力されるが、その周波数としてはデータの周波数帯域よりも十分低い値が選ばれる。その正弦波信号に従ってパイロット電流源614は正弦波電流Ipを流すが、その振幅は変調電流Imに比べて小さいものとする。
 光信号がレーザダイオード612から発せられると、その一部をモニタフォトダイオード611が電流に変換する。その電流信号は電流−電圧変換部61によって電圧信号に変換される。この電気信号にはデータの周波数成分とパイロット信号が含まれている。ローパスフィルタ62はその中からパイロット信号のみを抜き出す。制御部63はこのパイロット信号の振幅が一定になるように変調電流Imとバイアス電流Ibを決定する。なお、制御部63は、レーザダイオード612の平均光パワーを一定にする役割を持つので、ローパスフィルタ62を通る前の電気信号も入力する。パイロット信号の振幅と平均光パワーが一定であれば消光比は一定に保たれる。
特開平03−209890号公報 特許第2932100号公報
 しかしながら、上記従来の第1の制御回路においては、データの速度が速くなるとモニタフォトダイオード511、電流−電圧変換部51、最大値検出部52及び最小値検出部53にも高速な動作が要求される。すなわちレーザダイオード512が発する光波形を正確にトレースできる帯域が求められる。このことは、モニタフォトダイオードとレーザダイオードが実装される光モジュールと制御回路の複雑化、高価格化を招くという問題点がある。
 また、上記従来の第2の制御回路においては、低い周波数のパイロット信号と平均光パワーを扱うだけなので、回路の高速性は要求されないが、送信データは連続であることが前提であり、信号が断続するバースト信号に対しては消光比を制御できないという問題を有していた。 さらに、パイロット信号はデータ信号に対してノイズとなり、伝送品質を低下させるという問題もある。
 本発明は、上記従来の問題を解決するもので、高速なバースト信号に対して消光比を一定に制御できる優れた制御回路を提供することを目的とする。
 上記問題を解決するために、本発明は変調電流をバースト単位で少しだけ増加させる機能を設け、通常の変調電流での平均光パワーと変調電流を増加させた場合の平均光パワーとの差を基準値に一致させるように制御するようにしたものである。また、通常の変調電流での平均光パワーを基準値に一致させるように制御するようにしたものである。
 すなわち、本発明によれば、レーザダイオードにバイアス電流と変調電流を供給して駆動する駆動部に制御信号を供給するバースト信号消光比制御回路であって、
 前記レーザダイオードのバーストごとの平均光パワーを測定する測定手段と、
 前記測定手段で測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードの変調電流Imを制御する変調電流制御手段と、
 前記測定手段で測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードのバイアス電流Ibを制御するバイアス電流制御手段とを、
 有するバースト信号消光比制御回路が提供される。
 この構成によれば、わずかな費用で高速なバースト信号に対して消光比を一定に制御でき、伝送品質を低下させることがない。
 また本発明によれば、レーザダイオードにバイアス電流と変調電流を供給して駆動する駆動部に制御信号を供給するバースト信号消光比制御方法であって、
 前記レーザダイオードのバーストごとの平均光パワーを測定する測定ステップと、
 前記測定ステップで測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードの変調電流Imを制御する変調電流制御ステップと、
 前記測定ステップで測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードのバイアス電流Ibを制御するバイアス電流制御ステップとを、
 有するバースト信号消光比制御方法が提供される。
 この構成によれば、高速なバースト信号に対して消光比を一定に制御でき、伝送品質を低下させることがない。
 また本発明によれば、レーザダイオードにバイアス電流と変調電流を供給して駆動する駆動部に制御信号を供給するバースト信号消光比制御方法であって、
 前記レーザダイオードのバーストごとの平均光パワーを測定する測定ステップと、
 前記測定ステップで測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードの変調電流Imを制御する変調電流制御ステップと、
 前記測定ステップで測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードのバイアス電流Ibを制御するバイアス電流制御ステップとを、
 有するバースト信号消光比制御方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムが提供される。
 この構成によれば、ソフトウェアによる信号処理により高速なバースト信号に対して消光比を一定に制御でき、伝送品質を低下させることがない。
 また本発明によれば、レーザダイオードにバイアス電流を供給するバイアス電流源と、
 前記レーザダイオードに変調電流を供給する変調電流源と、
 前記レーザダイオードのバーストごとの平均光パワーを測定する測定手段と、
 前記測定手段で測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードの変調電流Imを制御する変調電流制御手段と、
 前記測定手段で測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードのバイアス電流Ibを制御するバイアス電流制御手段とを、
 有し、レーザダイオードの平均光パワーと消光比が一定になるようにしたレーザダイオード駆動回路が提供される。
 この構成によれば、わずかな費用で高速なバースト信号に対して消光比を一定に制御でき、伝送品質を低下させることがない。
 本発明はバースト単位で変調電流をわずかに変化させてそれによる光出力パワーの変化量から消光比を一定に保つようにしたものである。変調電流に交流を重畳する方式は信号にノイズを加えるのと等価であり伝送品質の低下を招くのに対し、本発明はいわば直流を重畳させるので伝送品質の低下がない。また本発明ではバーストごとに信号振幅が若干変化することになるがバースト用の受信機は一般的にバーストごとに利得制御を行っており、このことによる問題点は生じない。
 図1は本発明の制御回路の実施の形態を示すブロック図である。図1には制御回路1の他、レーザダイオード112、変調電流源115、バイアス電流源116、レーザダイオード112の光の一部を電気信号に変換するモニタフォトダイオード111が示されている。バースト出力中はスイッチ113が接続状態となりレーザダイオード112には常にバイアス電流Ibが流れる。バースト中、データが「L」の場合はレーザダイオード112にはIbの電流が流れるだけであるが、データが「H」である場合はスイッチ114が接続状態となり、レーザダイオード112にはIb+Imの電流が流れる。なお上記従来例と同様、プリバイアス動作については省略する。またここではバーストデータのマーク率は0.5とする。
 図1の制御回路1は、モニタフォトダイオード111からの信号によりパワーを測定するパワー測定部11、パワー測定部11で測定された値をデータとして記憶する記憶部12、パワー測定部11で測定された値と記憶部12に先に記憶された値との差を検出する差検出部13と、基準値ΔPrefがあらかじめ格納されているΔPref格納部14と、差検出部13の出力信号と基準値ΔPrefを比較する比較部15と、比較部15の出力信号に応じて変調電流Imを設定する変調電流(Im)設定部16、基準値Prefがあらかじめ格納されているPref格納部17と、パワー測定部11の出力信号と基準値Prefを比較する比較部18と、比較部18の出力信号に応じてバイアス電流Ibを設定するバイアス電流(Ib)設定部19、これらの各部を制御する制御部110とを有している。
 この制御回路の動作を図1、2を参照しながら説明する。制御回路1は立ち上げ後、基準値ΔPref及びPrefをそれぞれΔPref格納部14、Pref格納部17に設定する。引き続き変調電流Im、バイアス電流Ibの初期値をそれぞれ変調電流設定部16、バイアス電流設定部19に設定する。これらの設定動作の詳細は省略する。
 1つ目のバースト#1を送信する場合、パワー測定部11はモニタフォトダイオード111からの信号を基に当該バーストの平均光パワーを測定する。その結果はいったん記憶部12に記憶される。その後、変調電流設定部16は現状の変調電流Imの、例えば1%にあたる電流ΔImを増加させる。次のバースト#2を送信する間、パワー測定部11は当該バーストの平均光パワーを測定する。その後、差検出部13にて記憶部12に先に記憶されていた値との差を取り、この差を比較部15で基準値ΔPrefと比較する。その結果、差>ΔPrefであれば、変調電流設定部16は変調電流Imを規定量Aだけ減少させる。逆に差<ΔPrefであれば変調電流設定部16は、変調電流Imを規定量Aだけ増加させる。
 次のバースト#3では、パワー測定部11の出力は比較部18にて基準値Prefと比較され、測定パワー>Prefであれば、バイアス電流設定部19はバイアス電流Ibを規定量Bだけ減少させる。逆に測定パワー<Prefであれば、バイアス電流設定部19はバイアス電流Ibを規定量Bだけ増加させる。
 これらの処理はレーザダイオードの特性変化の速度に比べて十分に頻繁であれば、連続するバーストに対して行われなくてもよい。すなわち図2においてバースト#1、#2、#3の間に制御に寄与しないバーストがあってもよい。
 上記の動作によって消光比が一定に制御できる理由を図3を用いて説明する。図3はレーザダイオードの電流Id対光出力パワーPout特性を示している。データが「L」の場合は
    Id=Ib
で、そのときの光出力パワーはPLである。データが「H」の場合は
    Id=Ib+Im
で、そのときの光出力パワーはPHである。マーク率が0.5であれば平均的に
    Id=Ib+Im/2
となり、そのときの光出力パワーはPaveである。
 さて、ここで変調電流をΔImだけ増加させると平均的に
    Id=Ib+(Im+ΔIm)/2
となり、そのときの光出力パワーはPave+となる。このときのパワーの増分をΔPとする。
 これらのことから消光比ExRを求める。レーザダイオードの線形領域での特性は直線と見なすことができ、その式を
    Pout=K×Id+J
とおく。このとき傾きKは図3から明らかなように
    K=ΔP/(ΔIm/2)
である。また、平均光パワーは
    Pave=K(Ib+(Im/2))+J
 さらに、
    PL=K×Ib+J
    PH=K(Ib+Im)+J
である。以上から
  ExR=PH/PL
    =(Pave+(ΔP/ΔIm))/(Pave−(ΔP/ΔIm))
 ここでΔImをImに比例した値、C×Im(Cは定数)とすると
  ExR=PH/PL
    =(Pave+(ΔP/C))/(Pave−(ΔP/C))
となり、平均光パワーPaveと変調電流を変化させたときの平均光パワーの変動量ΔPを一定になるように制御すれば消光比が一定に保たれることがわかる。
 なお、この制御回路は個別の部品で実現してもよいし、その全部又は一部を集積回路により実現させてもよい。
 さらに、上記実施の形態では制御部110の制御の下に各部が動作するものとして説明したが、モニタフォトダイオード111の出力をAD変換しCPU(中央演算処理装置)に取り込む形にしてソフトウェアにて、これらの処理を行うことも可能である。その場合の処理のフローは図2に示したものとなる。すなわち、ステップS1で基準値ΔPref及びPrefをそれぞれ設定し、ステップS2で変調電流Im、バイアス電流Ibの初期値をそれぞれ設定する。次いでステップS3で1つ目のバーストを送信する。ステップS4では、モニタフォトダイオード111からの信号を基に当該バーストの平均光パワーを測定する。その結果はステップS5で記憶される。その後、ステップS6で現状の変調電流Imの、例えば1%にあたる電流ΔImを増加させる。次いでステップS7で次のバーストを送信し、ステップS8で当該バーストの平均光パワーを測定する。
 その後、ステップS9で先に記憶されていた値と、現在の測定値との差を取り、この差をステップS10で基準値ΔPrefと比較する。その結果、差>ΔPrefであれば、ステップS11で変調電流Imを規定量A及びΔImだけ減少させる。逆に差<ΔPrefであれば、ステップS12で変調電流Imを規定量Aだけ増加させ、かつΔImだけ減少させる。ステップS11、S12で、変調電流ImをΔImだけ減少させるのは、ステップS6で増加させたΔImだけ減少させて、本来の値に戻すためである。ステップS11又はステップS12が終了すると、ステップS13へ行き、次のバーストを送信する。ステップS14では、平均光パワーを測定し、その値はステップS15で基準値Prefと比較される。測定パワー>Prefであれば、ステップS16でバイアス電流Ibを規定量Bだけ減少させる。逆に測定パワー<Prefであれば、ステップS17でバイアス電流Ibを規定量Bだけ増加させる。
 ステップS16又はS17の後は、ステップS3に戻り、以後ステップS3〜ステップS16又はステップS17を繰り返す。すなわち、ステップS3からステップS11又はステップS12とステップS13〜ステップS16又はステップS17が交互に実行される。
 以上のように本発明によれば、いわば直流を重畳させるので伝送品質の低下がなく、本発明ではバーストごとに信号振幅が若干変化することになるがバースト用の受信機は一般的にバーストごとに利得制御を行っており、このことによる問題点は生じないので、パケット通信におけるデジタルデータの光伝送において使用するレーザダイオードの消光比を制御するバースト信号消光比制御回路及びその集積回路、バースト信号消光比制御方法、コンピュータプログラム並びにレーザダイオード駆動回路などに利用可能である。
本発明の制御回路の実施の形態を示すブロック図 本発明の制御回路をソフトウェアで実現する実施の形態における処理の流れを示すフローチャート レーザダイオードの電流Id対光出力パワーPout特性を示すグラフ レーザダイオードの典型的な特性を示すグラフ 従来の制御回路の第1の構成例を示すブロック図 従来の制御回路の第2の構成例を示すブロック図
符号の説明
 1、5、6 制御回路
 11 パワー測定部
 12 記憶部
 13 差検出部
 14 ΔPref格納部
 15、18 比較部
 16 変調電流設定部
 17 Pref格納部
 19 バイアス電流設定部
 51、61 電流−電圧変換部(I/V)
 52 最大値検出部
 53 最小値検出部
 54 Im/Ib制御部
 62 ローパスフィルタ
 63、110 制御部
 64 パイロット発振器
 111、511、611 モニタフォトダイオード
 112、512、612 レーザダイオード
 113、114、513、514、613 スイッチ
 115、515、615 変調電流源
 116、516、616 バイアス電流源
 614 パイロット電流源

Claims (13)

  1.  レーザダイオードにバイアス電流と変調電流を供給して駆動する駆動部に制御信号を供給するバースト信号消光比制御回路であって、
     前記レーザダイオードのバーストごとの平均光パワーを測定する測定手段と、
     前記測定手段で測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードの変調電流Imを制御する変調電流制御手段と、
     前記測定手段で測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードのバイアス電流Ibを制御するバイアス電流制御手段とを、
     有するバースト信号消光比制御回路。
  2.  前記変調電流制御手段が前記変調電流Imを規定値ΔImだけ増加させる手段を有する機能を持った請求項1に記載のバースト信号消光比制御回路。
  3.  前記規定値ΔImが前記変調電流Imに比例した量である請求項2に記載のバースト信号消光比制御回路。
  4.  前記変調電流制御手段が、
     前記変調電流がImのときのバースト#1の平均光パワーP1と前記変調電流がIm+ΔImのときのバースト#2の平均光パワーP2との差を取る手段と、
     前記差の値があらかじめ定められた基準値ΔPrefよりも大きい場合は、前記変調電流を減少させ、逆にその差の値が基準値ΔPrefよりも小さい場合は、前記変調電流を増加させる手段とを、
     有する請求項1に記載のバースト信号消光比制御回路。
  5.  前記変調電流の増減量をあらかじめ定められた一定値Aとする請求項4に記載のバースト信号消光比制御回路。
  6.  前記バイアス電流制御手段が、
     前記バイアス電流がIbのときのバースト#3の平均光パワーP3と、あらかじめ定められた基準値Prefとを比較する手段と、
     前記比較により前記平均光パワーP3が前記基準値Prefよりも大きい場合は、前記バイアス電流を減少させ、前記平均光パワーP3が前記基準値Prefよりも小さい場合は、前記バイアス電流を増加させる手段とを、
     有する請求項1に記載のバースト信号消光比制御回路。
  7.  前記バイアス電流の増減量をあらかじめ定められた一定値Bとする請求項6に記載のバースト信号消光比制御回路。
  8.  レーザダイオードにバイアス電流と変調電流を供給して駆動する駆動部に制御信号を供給するバースト信号消光比制御方法であって、
     前記レーザダイオードのバーストごとの平均光パワーを測定する測定ステップと、
     前記測定ステップで測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードの変調電流Imを制御する変調電流制御ステップと、
     前記測定ステップで測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードのバイアス電流Ibを制御するバイアス電流制御ステップとを、
     有するバースト信号消光比制御方法。
  9.  前記変調電流がImのときのバースト#1の平均光パワーP1と前記変調電流がIm+ΔImのときのバースト#2の平均光パワーP2との差を取るステップと、
     前記差の値があらかじめ定められた基準値ΔPrefよりも大きい場合は、前記変調電流を減少させ、逆にその差の値が基準値Prefよりも小さい場合は、前記変調電流を増加させるステップとを、
     有する変調電流制御ステップと、
     前記バイアス電流がIbのときのバースト#3の平均光パワーP3と、あらかじめ定められた基準値Prefとを比較するステップと、
     前記比較により前記平均光パワーP3が前記基準値Prefよりも大きい場合は、前記バイアス電流を減少させ、前記平均光パワーP3が前記基準値Prefよりも小さい場合は、前記バイアス電流を増加させるステップとを、
     有するバイアス電流制御ステップとを、
     有し、前記変調電流制御ステップと前記バイアス電流制御ステップとを交互に実行するステップを有する請求項8に記載のバースト信号消光比制御方法。
  10.  レーザダイオードにバイアス電流と変調電流を供給して駆動する駆動部に制御信号を供給するバースト信号消光比制御方法であって、
     前記レーザダイオードのバーストごとの平均光パワーを測定する測定ステップと、
     前記測定ステップで測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードの変調電流Imを制御する変調電流制御ステップと、
     前記測定ステップで測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードのバイアス電流Ibを制御するバイアス電流制御ステップとを、
     有するバースト信号消光比制御方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
  11.  前記変調電流がImのときのバースト#1の平均光パワーP1と前記変調電流がIm+ΔImのときのバースト#2の平均光パワーP2との差を取るステップと、
     前記差の値があらかじめ定められた基準値ΔPrefよりも大きい場合は、前記変調電流を減少させ、逆にその差の値が基準値ΔPrefよりも小さい場合は、前記変調電流を増加させるステップとを、
     有する変調電流制御ステップと、
     前記バイアス電流がIbのときのバースト#3の平均光パワーP3と、あらかじめ定められた基準値Prefとを比較するステップと、
     前記比較により前記平均光パワーP3が前記基準値Prefよりも大きい場合は、前記バイアス電流を減少させ、前記平均光パワーP3が前記基準値Prefよりも小さい場合は、前記バイアス電流を増加させるステップとを、
     有するバイアス電流制御ステップとを、
     有し、前記変調電流制御ステップと前記バイアス電流制御ステップとを交互に実行するステップを有する請求項10に記載のコンピュータプログラム。
  12.  レーザダイオードにバイアス電流を供給するバイアス電流源と、
     前記レーザダイオードに変調電流を供給する変調電流源と、
     前記レーザダイオードのバーストごとの平均光パワーを測定する測定手段と、
     前記測定手段で測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードの変調電流Imを制御する変調電流制御手段と、
     前記測定手段で測定された前記平均光パワーに基づき前記レーザダイオードのバイアス電流Ibを制御するバイアス電流制御手段とを、
     有し、レーザダイオードの平均光パワーと消光比が一定になるようにしたレーザダイオード駆動回路。
  13.  請求項1に記載のバースト信号消光比制御回路を搭載した集積回路。
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CN110622443A (zh) * 2017-04-07 2019-12-27 高亮半导体有限公司 用于按比例生成参考电流以启用光学发送器中激光器调制的平均功率和消光比率的控制的方法

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