JP2005085815A - 波長安定化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速で安定した波長制御を行うための波長安定化装置を得る。
【解決手段】温度によりレーザ光の波長変更が可能なLD101と、LD101の温度を制御するペルチェ素子102およびペルチェドライブ回路110と、LD101の温度を検出するサーミスタ109と、LD101の発光量を第1のPD電流として検出するPD1(104)と、波長を検出するためにエタロンフィルタ103を通過した光を第2のPD電流として検出するPD2(105)と、LD101の温度を変化させながら、温度、波長および第1、第2のPD電流を測定し、当該測定データを目標値としてテーブル化して予め記憶するメモリとを備え、CPU107が、PD2およびPD1の出力から現在の波長を演算して、メモリ内のデータと比較することにより現在位置を検知して制御を行う。
【選択図】図1
【解決手段】温度によりレーザ光の波長変更が可能なLD101と、LD101の温度を制御するペルチェ素子102およびペルチェドライブ回路110と、LD101の温度を検出するサーミスタ109と、LD101の発光量を第1のPD電流として検出するPD1(104)と、波長を検出するためにエタロンフィルタ103を通過した光を第2のPD電流として検出するPD2(105)と、LD101の温度を変化させながら、温度、波長および第1、第2のPD電流を測定し、当該測定データを目標値としてテーブル化して予め記憶するメモリとを備え、CPU107が、PD2およびPD1の出力から現在の波長を演算して、メモリ内のデータと比較することにより現在位置を検知して制御を行う。
【選択図】図1
Description
この発明は波長安定化装置に関し、特に、光通信レーザダイオード(以下、LDとする。)の波長を安定化させるための波長安定化装置に関する。
光の波長は、波長が変化することにより光の通過特性が変化するエタロンフィルタを通し、フォトダイオードからなる光検出器(以下、PDとする。)で検出することで確認できる。ただし、その通過減衰の周波数特性は単純ではなく、周期性を示す。当然、光検出用のPD電流も同様の特性を示す。また、その一周期の間隔をFSR(自由分光領域)とよんでいる。
レーザ光は、エタロンフィルタの経年変化や温度変化に伴って波長が変化してしまうので、それを補償することにより、レーザ光の絶対波長を安定させてロックするための波長制御システムが従来より提案されている(特に、特許文献1参照。)。
また、波長制御回路としては、光バンドパスフィルタを波長弁別素子として用い、レーザ信号の波長を光バンドパスフィルタにより波長弁別可能な微調整範囲内を波長制御する波長制御回路について提案されている(特に、特許文献2参照。)。
なお、エタロンフィルタの特性により波長制御を行う方法としては例えば下記の様な方法がある。
1)波長制御は最初にLD温度を制御し目的の波長があるFSRにLD温度を移動させる。
2)LD温度を微小に変化させ、そのPD電流の変化(ΔPD電流/ΔLD温度)を確認し、FSR内のどの位置にいるか確認する。
3)FSRの内の位置から、温度変化と波長変化の関係を確認する。
4)LD温度を制御しながら、PD電流値を検出して目的の波長にロックする。
1)波長制御は最初にLD温度を制御し目的の波長があるFSRにLD温度を移動させる。
2)LD温度を微小に変化させ、そのPD電流の変化(ΔPD電流/ΔLD温度)を確認し、FSR内のどの位置にいるか確認する。
3)FSRの内の位置から、温度変化と波長変化の関係を確認する。
4)LD温度を制御しながら、PD電流値を検出して目的の波長にロックする。
従来においては、上記のような方法で波長制御を行っていたため、下記のような問題点があった。
1)制御手順が複雑で、波長がロックするまでの制御時間が長い。
2)ペルチェ素子などの温度制御機器の能力限界点近傍では、冷却、昇温に時間を要し、FSR内の位置が確認しにくくなり制御が不安定になる。
1)制御手順が複雑で、波長がロックするまでの制御時間が長い。
2)ペルチェ素子などの温度制御機器の能力限界点近傍では、冷却、昇温に時間を要し、FSR内の位置が確認しにくくなり制御が不安定になる。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、高速で安定した波長制御を行うための波長安定化装置を得ることを目的としている。
この発明は、温度により出射するレーザ光の波長変更が可能な半導体レーザダイオードと、前記半導体レーザダイオードの温度を制御するLD温度調整手段と、前記LD温度調整手段を駆動制御する駆動手段と、前記半導体レーザダイオードの温度を検出するLD温度検出手段と、前記半導体レーザダイオードのレーザ光の発光量を第1のPD電流として検出する第1のフォトダイオードと、前記半導体レーザダイオードのレーザ光の波長を検出するためにエタロンフィルタを通過した前記レーザ光を第2のPD電流として検出する第2のフォトダイオードと、前記半導体レーザダイオードの温度を変化させることにより前記レーザ光の波長を変化させながら、前記半導体レーザダイオードの温度、波長および前記第1、第2のPD電流を測定した測定データを目標値としてテーブル化して予め記憶するメモリと、前記第2のPD電流を前記第1のPD電流で、電圧に変換した後に、除算することにより、前記レーザ光の波長を演算する波長演算手段と、前記LD温度検出手段により得た前記温度および前記波長演算手段により得た前記波長がそれぞれ前記メモリ内の目標波長および目標温度に近づくように前記駆動手段に対する制御信号を出す制御手段とを備え、前記制御手段は、温度変化に対する前記波長演算手段により得た前記波長の変化率が大きくなればなるほど緩やかに温度制御することを特徴とする波長安定化装置である。
本発明によれば、調整段階で、半導体レーザダイオードの温度を変化させて波長を変化させながら、当該温度、レーザ光の波長、第1、第2のフォトダイオードで測定したPD電流とを目標値としてテーブル化してメモリに保存しておき、実際の制御時には、温度とPD電流とを測定してテーブルデータと比較することにより、波長の現在位置を検知して、制御を行うようにしたので、制御の手順が簡素化でき、波長がロックされるまでの制御時間を短縮することができるため、高速で安定した波長制御を行うことができる。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態に係る波長安定化装置における、波長分割多重光通信モジュール(以下、光モジュール100とする。)とそれに接続されたマイコン部の構成を示した図である。光モジュール100内には、図1に示すように、温度により波長変化が可能なLD(半導体レーザダイオード)101が設けられており、LD101には波長制御を行うためにLD温度を制御するペルチェ素子102(LD温度調整手段)がとりつけられている。ペルチェ素子102は、ペルチェドライブ回路110(駆動手段)により駆動される。LD101から出射されたLD光は、調整段階においては光ファイバ114に入射され、実際の制御時においては光スプリッタ115に入射される構成になっている。光スプリッタ115は、一方の出力がエタロンフィルタ103に接続され、他方の出力がフォトダイオード素子1(以下、PD1とする)(符号104)に接続されている。PD1(符号104)には、PD1(符号104)で検出した電流を電圧(Vdp1)に変換するPD1電流電圧変換回路111が接続されている。エタロンフィルタ103にはフォトダイオード素子2(以下、PD2とする。)(符号105)が接続され、PD2(符号105)には、PD2(符号105)で検出した電流を電圧(Vdp2)に変換するPD2電流電圧変換回路112が接続されている。LD101の近傍には温度を検知するサーミスタ109(LD温度検出手段)が取り付けられている。サーミスタ109には、LD温度を電圧(Tld)に変換するための温度電圧変換回路113が設けられている。
図1は、本発明の実施の形態に係る波長安定化装置における、波長分割多重光通信モジュール(以下、光モジュール100とする。)とそれに接続されたマイコン部の構成を示した図である。光モジュール100内には、図1に示すように、温度により波長変化が可能なLD(半導体レーザダイオード)101が設けられており、LD101には波長制御を行うためにLD温度を制御するペルチェ素子102(LD温度調整手段)がとりつけられている。ペルチェ素子102は、ペルチェドライブ回路110(駆動手段)により駆動される。LD101から出射されたLD光は、調整段階においては光ファイバ114に入射され、実際の制御時においては光スプリッタ115に入射される構成になっている。光スプリッタ115は、一方の出力がエタロンフィルタ103に接続され、他方の出力がフォトダイオード素子1(以下、PD1とする)(符号104)に接続されている。PD1(符号104)には、PD1(符号104)で検出した電流を電圧(Vdp1)に変換するPD1電流電圧変換回路111が接続されている。エタロンフィルタ103にはフォトダイオード素子2(以下、PD2とする。)(符号105)が接続され、PD2(符号105)には、PD2(符号105)で検出した電流を電圧(Vdp2)に変換するPD2電流電圧変換回路112が接続されている。LD101の近傍には温度を検知するサーミスタ109(LD温度検出手段)が取り付けられている。サーミスタ109には、LD温度を電圧(Tld)に変換するための温度電圧変換回路113が設けられている。
また、マイコン部120内にはADコンバータ106が設けられている。ADコンバータには、PD2電流電圧変換回路112からの出力Vdp2と、PD1電流電圧変換回路111からの出力Vdp1と、温度電圧変換回路113からの出力Tldとが入力される。ADコンバータ106は、それらをディジタル値に変換する。ディジタル値に変換されたVpd1、Vpd2、Tldは、CPU107に取り入れられる。CPU107にはDAコンバータ108が接続されており、それにより、CPU107からのディジタル出力はアナログ値に変換され、当該アナログ値に基づいてペルチェ素子102を制御するために光モジュール100内のペルチェドライブ回路110に入力される。
次に、動作について説明する。制御時において、LD101から出射されたLD光は、波長検出をするため、エタロンフィルタ103を通し、PD2(符号105)で電流として検出され、PD2電流電圧変換回路112により、検出電流値を電圧(Vpd2)に変換する。また、LD101の発光量を検出するため、LD光を直接検出するPD1(符号104)で電流として検出され、PD1電流電圧変換回路111により、検出電流値を電圧(Vpd1)に変換する。また、LD101の近傍にはLD温度を検知するサーミスタ109が取り付けられ、検知されたLD温度は、温度電圧変換回路113により、電圧(Tld)に変換される。Vpd1、Vpd2、Tldは、ADコンバータ106にてデジタル値に変換され、CPU107に取り入れられる。CPU107は、Vdp2/Vpd1の値を求め(波長演算手段)、当該Vdp2/Vpd1およびTldが、後述するメモリ内に予め保存されている目標値に近づくように制御する(制御手段)。
CPU107の当該メモリには、図3に示すエタロン特性がディジタルデータ化されテーブルデータとして保存されている。また、ロックする波長の目標点のデータもメモリに保存されている。それらのメモリデータは、調整段階で作成される。
図2は調整段階での構成図である。図2と図1の対応関係を説明すれば、図2の光モジュール100は、図1における破線で囲った符号101〜105、109〜115の構成要素からなる光モジュール100である。また、図2のマイコン部120は、図1における実線で囲った符号106〜108の構成要素からなるマイコン部120である。光モジュール100には、図1に示した光ファイバ114を介して、光波長計測器201が接続されている。この光波長計測器201は、調整段階で、波長を測定するためのものであり、実際の制御時には用いないものである。また、光波長計測器201およびマイコン部120には、パソコン202が接続されている。
図2の構成において、LD温度を低温から高温までペルチェ素子102を制御することにより変化させる。その際、光波長計測器201にて測定した波長、サーミスタ109にて測定したLD温度、PD1(符号104)及びPD2(符号105)を用いて測定したVpd1及びVpd2、および、Vpd2/Vpd1のそれぞれのデータを、パソコン202で処理しディジタルデータ化し、マイコン部120内のCPU107のメモリにテーブルデータとして保存する(図3に示すエタロンフィルタ特性をテーブル化)。その際に、ロックしたい目標値のデータも作成し、保存する。
また、必要に応じて、Δ波長検出用PD電流/ΔLD温度も同時に計算し、テーブル化する。Δ波長検出用PD電流およびΔLD温度は、いずれも、前回測定したデータから今回測定したデータを差し引いた差である(これについては、後述する。)。なお、Δ波長検出用PD電流/ΔLD温度の値については、テーブル化しておかなくとも、制御時にテーブルデータから計算するようにしても良い。
また、恒温槽で、周囲温度を変化させた時の波長、LD温度、PD1(符号104)及びPD2(符号105)を用いて測定したVpd1及びVpd2、および、Vpd2/Vpd1のそれぞれのデータをとり、温度変化によるエタロン特性の変移量を測定し温度によるエタロンの特性補正データをディジタルデータとして、CPU107のメモリに保存する。
次に、波長制御動作について詳細に説明する。波長制御は、図4および図5(フローチャート1、2)に示す手順で行う。フローチャート1はLD温度が目標温度Tldpに近づくように温度のみのファクターでラフに制御する手順であり、フローチャート1で所定の条件(ステップS4の条件)を満たした場合に、フローチャート2に進んで詳細な波長制御に移り、さらに目標値に近づくようにLD温度を制御する。すなわち、DAコンバータ108から制御電圧を出力し、ペルチェドライブ回路110で電流に変換し、それに基づいて、ペルチェ素子102を制御して、LD101を所望の温度の近傍になるよう制御する。
はじめに、フローチャート1の手順について説明する。
まず、ステップS1で、上述のようにしてサーミスタ109により検知したLD温度を電圧(Tld)に変換した後に、ADコンバータ106で、ディジタル値に変換する。
まず、ステップS1で、上述のようにしてサーミスタ109により検知したLD温度を電圧(Tld)に変換した後に、ADコンバータ106で、ディジタル値に変換する。
次に、ステップS2で、上述のようにしてPD2(符号105)およびPD1(符号104)により電流として検知したLD光を電圧(Vpd2、Vpd1)に変換した後に、ADコンバータ106で、ディジタル値に変換する。次に、CPU107が、Vpd2/Vpd1を計算して求める。これは、波長に関する信号はVpd2であるが、そのデータは波長だけでなくLDの発光量にも比例するため、LDの発光量のファクターを除去するため、Vpd1で除算するものである。
次に、ステップ3で、CPU107のメモリ内のテーブルから、温度の目標値のTldpと、(Vpd2/Vpd1)の目標値Vpdpとを読み出す。
次に、ステップS4で、ステップS1で求めたTldと温度の目標値Tldpとの差の絶対値が、所定の基準値1より小さいか否かを判定する。所定の基準値より大きかった場合には、ステップS5に進む。一方、所定の基準値1より小さかった場合には、ステップS1における温度のみによるラフな制御が終了したとして、フローチャート2へ進み、詳細な制御に移る。フローチャート2については後述する。
次に、ステップS5において、ステップS1で求めたTldから温度の目標値Tldpを減算した値が0より小さいか否かを判定する。0より小さい場合には、目標値Tldpより低い温度のときであるため、ステップS7に進んで、CPU107が、DAコンバータ108を介して、ペルチェドライブ回路110に対して、ペルチェ素子102の温度を上げるような制御信号を出力して、ステップS8に進む。一方、0以上の場合には、目標値Tldpより高い温度のときであるため、ステップS6に進んで、CPU107が、DAコンバータ108を介して、ペルチェドライブ回路110に対して、ペルチェ素子102の温度を下げるような制御信号を出力して、ステップS8に進む。
次に、ステップS8で、ステップS1およびS2と同様の方法で、TldとVpd2/Vpd1との値を再度確認し、前回確認したデータとの誤差を下記の式により求める。
ΔTld=Tld(1)−Tld(2)
Δ(Vpd2/Vpd1)=(Vpd2/Vpd1)(1)−(Vpd2/Vpd1)(2)
(1):前回確認したデータ(但し、1回目はステップS1およびS2のデータ、2回目以降は、ステップS8の前回のデータとする。)
(2):ステップS8で今回確認したデータ
ΔTld=Tld(1)−Tld(2)
Δ(Vpd2/Vpd1)=(Vpd2/Vpd1)(1)−(Vpd2/Vpd1)(2)
(1):前回確認したデータ(但し、1回目はステップS1およびS2のデータ、2回目以降は、ステップS8の前回のデータとする。)
(2):ステップS8で今回確認したデータ
次に、ステップS9で、ステップS8で求めたΔTldの絶対値が所定の基準値より大きいか否かを判定する。
基準値より小さい場合、すなわち、単位時間当りの温度変化(Tld/t)が基準値以下になればペルチェの温度制御限界点近傍と判断し、ステップS10において、波長制御時間が多くかかることを外部にアラームとして派出した(メッセージ画面表示及び/またはアラーム音発生)後に、ステップS11に進む。一方、基準値より大きい場合は、そのまま、ステップS11に進む。
次に、ステップS11で、Vpd2/VpdとTldとをCPU107のメモリ内のデータと照合し、現在の波長及びエタロン特性につき、トレースしたデータ内における位置を確認する。
次に、ステップS12で、“Δ(Vpd2/Vpd1)/ΔTld”(エタロン特性の傾き)を演算し、温度変化量に対する波長変化量の変化の傾きの正負(増加方向/減少方向)を求め、それをテーブルデータから求めた傾きとも比較して、位置認識の精度を向上させる(図3に示すよう、エタロン特性のピーク近辺では、a点、b点間で温度が近い上Vpd2/Vpd1データが等しくなるため位置を誤認する可能性がある)。
次に、ステップS4に戻る。ステップS4の処理は上述の通りであるので、ここでは、所定の基準値1より小さかった場合について説明する。この場合には、ステップS1におけるラフな制御が終了したとして、フローチャート2へ進み、詳細な制御に移る。次に、図5を用いて、フローチャート2について説明する。
詳細に温度を制御する際は、図3からも分かるように、温度に対して、Vpd2/Vpd1の変化の傾きが異なるので、急変する場合は、通常の制御速度よりも緩やかに温度変化させて制御を安定させる。温度に対する傾きは、ステップS12またはステップS22で求めているΔ(Vpd2/Vpd1)/ΔTldを利用する。
フローチャート2においては、まず、ステップS20で、上述のステップS1およびS2と同様の方法で、再度、TldとVpd2/Vpd1とを測定し、前回確認したデータとの誤差を下記の式により求める。
ΔTld=Tld(1)−Tld(2)
Δ(Vpd2/Vpd1)=(Vpd2/Vpd1)(1)−(Vpd2/Vpd1)(2)
(1):前回確認したデータ(但し、1回目はステップS8のデータ、2回目以降は、ステップS20の前回のデータとする。)
(2):ステップS20で今回確認したデータ
ΔTld=Tld(1)−Tld(2)
Δ(Vpd2/Vpd1)=(Vpd2/Vpd1)(1)−(Vpd2/Vpd1)(2)
(1):前回確認したデータ(但し、1回目はステップS8のデータ、2回目以降は、ステップS20の前回のデータとする。)
(2):ステップS20で今回確認したデータ
次に、ステップS21で、Vpd2/Vpd1およびTldとメモリ内のデータとを照合し、現在の波長及びエタロン特性についてトレースしたデータ内の位置を確認する。
次に、ステップS22で、“Δ(Vpd2/Vpd1)/ΔTld”(エタロン特性の傾き)を演算し、温度変化量に対する波長変化量の変化の傾きの正負(増加方向/減少方向)を求め、それをテーブルデータから求めた傾きとも比較して、位置認識の精度を向上させる(図3に示すように、エタロン特性のピーク近辺では、a点およびb点間では、温度が近いうえに、Vpd2/Vpd1のデータが等しくなるため、位置を誤認する可能性がある)。
次に、ステップS23で、現在位置と目標位置とを比較し、目標位置(Vpdp)にVpd2/Vpd1が近づくように、ペルチャ素子102を制御するべく、CPU107はペルチャ素子ドライブ回路110に制御信号を送信する。その際に、Δ(Vpd2/Vpd1)/ΔTldが大きくなればなるほど緩やかに温度制御できるようにペルチャ素子を制御する。
次に、ステップS24で、TldとTldpとの誤差及びVpd2/Vpd1とVpdpとの誤差(の少なくともいずれか一方)の絶対値が基準値より小さいかどうかを確認し、基準値以上ならば、ステップS20〜ステップS23を繰り返す。一方、基準値より小さい場合には、波長制御を完了する。
以上のように、本実施の形態によれば、CPU107のメモリ内に標準測定系で測定した波長、エタロンフィルタを通した波長検出用PD電流およびLD温度をディジタルデータとしてテーブル化しておき、実際の波長制御時は、LD温度および波長検出用PD電流値を検出して、その2つのデータとテーブルデータとを照合することで、現時点でのLD発光波長が特定でき、目標波長との誤差を明確に検知することができる。検知後は、目標波長になるLD温度に向けペルチェ素子で制御する。その際、温度変化に対する波長の変化率が大きくなればなるほど緩やかに温度制御し、制御を安定させるようにしたので、目標値までスムーズに、かつ、高速に、安定した波長制御を行うことが可能となる。また、ペルチェ素子などの温度制御機器の能力限界点近傍でも、現在の波長とエタロン特性上の位置がはっきりしているため安定した制御が可能になる。
また、エタロンの特性で作成したテーブルから、現在の波長を求める場合、LD温度や波長検出用PD電流だけでなく、(Δ波長検出用PD電流/ΔLD温度)をもとめ、テーブルデータから求めた、或いは、テーブルデータ化されている(Δ波長検出用PD電流/ΔLD温度)と照合し、波長の制御精度を上げるようにしたので、図3のa、b点からも分かる様に温度(波長)変化が少なく、Vpd2/Vpd1が等しい場合、波長の確認が難しくなる場合においても、傾き(Δ波長検出用PD電量値/ΔLD温度)をもとめることにより、波長の確認精度を上げる事ができる。
また、ペルチェ素子への電流量に対しΔLD温度/Δ時間を測定し、温度の時間変化量が基準値以下になれば、温度制御の限界点と近傍と判断し、その場合、通常より温度の安定時間が多くかかると判断しその情報を外部にアラームとして派出するようにしたので、波長が安定するまでに通常より時間を要することを外部に通知することで、従来では時間オーバで波長制御できないと判断していたものについても、制御可能となり、利用可能な波長領域を増やすことが出来る。
100 光モジュール、101 LD、102 ペルチェ素子、103 エタロンフィルタ、104 PD1、105 PD2、106 ADコンバータ、107 CPU、108 DAコンバータ、109 サーミスタ、110 ペルチェドライブ回路、111 PD1電流電圧変換回路、112 PD2電流電圧変換回路、113 温度電圧変換回路、114 光ファイバ、115 光スプリッタ、120 マイコン部、201 光波長計測器、202 パソコン。
Claims (3)
- 温度により出射するレーザ光の波長変更が可能な半導体レーザダイオードと、
前記半導体レーザダイオードの温度を制御するLD温度調整手段と、
前記LD温度調整手段を駆動制御する駆動手段と、
前記半導体レーザダイオードの温度を検出するLD温度検出手段と、
前記半導体レーザダイオードのレーザ光の発光量を第1のPD電流として検出する第1のフォトダイオードと、
前記半導体レーザダイオードのレーザ光の波長を検出するためにエタロンフィルタを通過した前記レーザ光を第2のPD電流として検出する第2のフォトダイオードと、
前記半導体レーザダイオードの温度を変化させることにより前記レーザ光の波長を変化させながら、前記半導体レーザダイオードの温度、波長および前記第1、第2のPD電流を測定した測定データを目標値としてテーブル化して予め記憶するメモリと、
前記第2のPD電流を前記第1のPD電流で、電圧に変換した後に、除算することにより、前記レーザ光の波長を演算する波長演算手段と、
前記LD温度検出手段により得た前記温度および前記波長演算手段により得た前記波長がそれぞれ前記メモリ内の目標波長および目標温度に近づくように前記駆動手段に対する制御信号を出す制御手段と
を備え、
前記制御手段は、温度変化に対する前記波長演算手段により得た前記波長の変化率が大きくなればなるほど緩やかに温度制御する
ことを特徴とする波長安定化装置。 - 前回の制御時において前記波長演算手段により得た前記波長から今回の前記波長演算手段により得た前記波長を減算した波長変化量を求める波長変化量演算手段と、
前回の制御時において前記LD温度検出手段により得た前記温度から今回の前記LD温度検出手段により得た前記温度を減算した温度変換量を求める温度変化量演算手段と、
前記波長変化量を前記温度変化量で除算した値を求め、前記メモリに記憶されている測定データに基づいて、前記温度変化量に対する波長変化量の変化の傾きの正負(増加/減少)を求めて、前記制御手段に出力する傾き確認手段と
をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の波長安定化装置。 - 前記温度変化量演算手段により得られる前記温度変化量が所定の基準値以下の場合に、通常時より波長制御時間が多くかかることを通知する警告を出力する警告出力手段をさらに備えたことを特徴とする請求項2に記載の波長安定化装置。
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