JP2008523630A - リアルタイム一定発振率(er)レーザー駆動回路 - Google Patents
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Abstract
例えば周囲温度により引き起こされるレーザーの発振率スロープへの悪影響は、レーザーへの駆動電流を調整することにより補償され得る。リアルタイム発振率スロープは、コードワードをデジタルアナログ駆動電流源(DAC)の+/−1最下位ビットLSBだけディザリングすることにより決定されて良い。ディザにより引き起こされるレーザー出力パワーの僅かな変動は、検出され及びリアルタイム発振率スロープを計算するために用いられて良い。これは、駆動電流を選択し、周囲変化を補償し発振率スロープを実質的に一定に保つために用いられて良い。
Description
本発明の実施例はレーザーに関し、及びより詳細にはレーザーのリアルタイム監視及び制御に関する。
レーザーは多種多様の用途に用いられる。特に、レーザーは、大量の情報を有する変調されたビームが高速で光ファイバーを介し長距離を、及びコンピューター環境でチップからチップへのような短距離を通信し得る光通信システムで不可欠な構成要素である。
特に重要なものは、所謂、垂直共振器表面発光レーザー(VCSEL)である。名前が示すように、この種類のレーザーは、材料ウエハーの表面と直交する又は「垂直な」コヒーレントビームで光を放出する半導体マイクロレーザーダイオードである。VCSELは小型であり、比較的安価に大量生産され、及び今日の光通信システムで用いられるレーザーの大多数を構成する端面発光レーザーに利益を提供し得る。より典型的な種類の端面発光レーザーダイオードは、半導体接合層と平行にコヒーレント光を放出する。対照的に、VCSELは、半導体接合層の間の境界に直角なコヒーレントビームを放出する。他の利点の中でも、これは、光ビームを光ファイバーに結合することを簡単にし易い。
VCSELは、標準的な超小型電子加工技術処理を用いウエハーの上に効率的に製造され、及び他の構成要素と共に基板上に集積されて良い。VCSELは、例えばアルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)、ガリウムヒ素(GaAs)、インジウムガリウムヒ素ニトライド(InGaAsN)、又は同様に適切な物質を用いて製造されて良い。VCSELは、850nm、1310nm及び1550nm程度でうまく製造されている。これは、短距離用途から長距離データ通信に及ぶ多種多様の光ファイバー用途を可能にする。VCSELは、高速の、安価な、エネルギー効率の良い、及びより信頼性のあるレーザービーム発生源を提供することにより光通信システムの進歩を約束する。
10ギガビット/秒(Gb/s)のラインレートで動作するVCSELを用いる光送受信機は、最近数年間にわたり急速に成長してきており、そして現在、種々のリンクパラメーター及びプロトコルをそれぞれ解決する多種多様の形状因子で入手可能である。これらの形状因子は、共通の機械的寸法及び電気的インターフェースを定めるマルチソースアグリーメント(MSA)の結果である。最初のMSAは2000年の300ピンMSAであり、次にXENPAK、X2/XPAK、及びXFPが続く。MSAにより定められた各送受信機は、種々のシステムの必要に適合するという独特の利点を有し、異なるプロトコル、ファイバー距離、及び電力損失レベルに対応する。
温度はVCSELの性能に影響する。しかしながら、光送受信機は、幅広い周辺温度範囲にわたり動作することが期待される。例えば、一部のMSAは、送受信機が−25℃の寒さから85℃の暑さの条件で動作することを要求し得る。光送受信機回路で生じるある共通の問題は、温度変化に伴うレーザーER(発振率)の変化であり得る。エネルギーレベルN1にある電子がより高いエネルギーレベルN2へ移動すると、エネルギーが吸収される。エネルギーレベルN2にある電子がエネルギーレベルN1へ降下すると、光が放出される。エネルギーレベルN2にある電荷n2の、エネルギーレベルN1及びN2にある総電荷(n1+n2)に対する比は、発振率(ER)と称されて良い。
VCSELは、図1に示されるようなER特性を有する。低温では、スロープ効率は高い。周辺温度が高温へ上昇すると、スロープ効率は降下し及びターンオン閾電流も上昇する。この降下を補正するため、レーザー駆動電流は、温度が上昇するにつれ増大されて良い。
所与の温度変化に対し駆動電流を変更する量を決定するある方法は、異なる温度条件に対しメモリー(例えばEEPROM)にレーザー駆動条件を記録することであり得る。駆動装置は、メモリー内のルックアップテーブルを参照することにより供給する電流のレベルを決定し、従ってスロープ効率の降下を補償する。しかしながら、現実の製造では、製造者は、動作条件、経年、及び製造誤差により変化し得る全ての異なるレーザー特性に適合する1つのルックアップテーブルを有するのみである。従って、動作条件を決定するために「1つの大きさが全てに適合する」ルックアップテーブルを用いるレーザーは、不正確になり易い。
米国特許第5001484号明細書
リアルタイム一定発振率(ER)レーザー駆動回路を提供する。
最新のスモールフォームファクター(SFF)光送受信機は、マルチモード光ファイバーを介した双方向通信のための高性能の統合された二重データリンクを提供する。図2は、一種のSFF光送受信機パッケージ100である。パッケージは、電子及び光学構成要素を収容する本体102を有して良い。ピン103は、回路基板への取り付けのため、本体102に設けられて良い。パッケージ100の前面は、嵌合プラグ(示されない)を受け、光ファイバー又は導波管を送受信機パッケージ100と接続する差し込み口部分104を有して良い。この例では、送信用差し込み口106及び受信用差し込み口108が示される。スロット110又は同様の機能は、嵌合プラグの固定機構を提供するために存在して良い。
図3を参照すると、図2の送信用差し込み口106内に、光送信用サブアセンブリ(Transmitter Optical Subassembly:TOSA)200が存在して良い。TOSAは多くの構成を取って良いが、図2に図示された構成は、トランジスターアウトラインカン(TO−can)パッケージ202として知られ得るものを有して良い。この名前は、別個のトランジスターパッケージの形状と似ているTO−can202の形状を参照する。TO−can202は、TOSA200の感応構成要素を密閉して収容する。TO−can202は、電気リード206を有するヘッダー部分204を有して良い。TO−can202は、外側筐体208に隣接するヘッダー204を備えた空洞206内に適合する。スペーサー210は、空洞206の内壁212に対しTO−can202を保持するために用いられて良い。TO−can202の最上部のレンズ又は窓214は、光を光ファイバーコア216へ又は光ファイバーコア216から通過させる。筐体208は、光ファイバー218をTO−can202の窓214に合わせるために利用される。TO−can202は凸レンズ214として示されるが、TO−can202は、平坦な角度の窓を備えた金属缶を有して良い。筐体208は、LCコネクタター又は光送受信機の他の標準化された取り外し可能コネクタターのようなスモールフォームファクター(SFF)の差し込み可能コネクタターの雌部220を形成して良い。ファイバー218は、拡張コードセクション226を有し、及びファイバー218の中心を合わせるフェルール225を有するコネクターの組み合わせ部分により保持される外側保護鞘224を更に有して良い。フェルール225は、ファイバー218がTO−can202の窓214と光学的に合わせられるように、筐体208内に形成されたフェルール差し込み口222へ差し込まれて良い。
図4は、光電子組み立て品を収容するTO−can202のより詳細な外観を示す。TO−can202は、絶縁基体又はヘッダー204、金属密閉部材314、及び金属カバー316を有して良い。望ましくは、ヘッダー204は、損失した熱を光電子組み立て品から逃がすよう導く良好な熱伝導率を備えた材料で形成される。高熱伝導率を用いることにより、ヘッダー204は、冷却されていない能動光素子、例えばダイオードレーザーの熱を効率的に消散させて良く、及びダイオード駆動装置チップのような集積回路を組み込み得る。
絶縁ヘッダー204は、上側表面318、下側表面320、及び上側表面318から下方へ延在する4個の実質的に平坦な側壁322(内2個が示される)を有する。ヘッダー204の厚さは、約1mmであって良い。勿論、絶縁ヘッダー204は必要に応じてより厚く又はより薄くて良いことが理解されるべきである。ヘッダー204は、複数のレベルを有する複数層基盤として構成されて良い。複数の金属層は、複数のレベルのそれぞれに設けられて良く、及び一緒に接合されて良い(例えば積層加工される)。
種々の素子は、TO−can202内に収容されて良い。例えば、VCSEL321のような能動光素子321、及び能動光素子321と関連した集積回路323、フォトダイオード325のような他の光素子325、及び種々の他の電気構成要素327及び329は、金属密閉部材314の内側領域に位置付けられて良い。
少なくとも1つの電気リード206は、光電子及び/又はパッケージTO−can202の内側に収容された電気構成要素から例えばプリント回路基板にあるTO−can202の外側に位置付けられた構成要素へ信号を通信するために、含まれて良い。リード206は、示されるように断面が円形又は長方形であって良い。代案として、ヘッダー204は、例えばボールグリッドアレイ接続及び/又は軟質回路のようなはんだ接続を用いプリント回路基板と機能するよう結合されて良い。
カバー316は、Kovar(商標)又は他の適切な金属から形成されて良く、金属密閉部材314に気密密閉され、ヘッダー204の上側表面318に取り付けられた光電子及び電気構成要素を含み及び完全に封入し、及びそれによりTO−can202を密閉して良い。このような気密密閉されたカバー316の使用は、湿気、腐食、及び周辺空気を締め出し、その中の一般的に壊れやすい光電子及び電気構成要素を保護する。
カバー316は、例えば平坦なガラス窓、球状レンズ、非球面レンズ、又はGRINレンズのような透明部分214を有する。VCSEL325のような光電子構成要素は、光が光電子構成要素へ又は光電子構成要素から透明部分214を通じて通過可能なように、TO−can202の内部に位置付けられる。標準的に、透明部分214はガラス、セラミック、又はプラスチックで形成される。TO−can202内に収容された光電子及び電気構成要素への影響を回避するため、カバー316の透明部分214は、光学的損失及び後方反射を低減するために反射防止膜を設けられて良い。
図5は、本発明のある実施例によるレーザー駆動回路のブロック図を示す。当該レーザー駆動回路は、周囲温度のような外部パラメーターが変化する場合でさえレーザーの発振率(ER)スロープを実質的に一定に保つようパラメーターを調整するために、レーザーの発振率(ER)スロープをリアルタイムで決定する。ある実施例では、VCSELレーザー321は、図3に示されたようなTOSA220に形作られ、及び図2に示されるような光送受信機100の一部を形成して良い。光検出器(PD)325はまた、TOSA220に形作られて良く、VCSEL321の出力を検出する。光検出器(PD)325は、VCSEL321の検出された出力に応じ、信号を出力する。ある実施例では、PD325の出力は、抵抗500にかかる電圧VPDの変化をマイクロコントローラー502により監視することにより測定されて良い。
ある実施例では、デジタルアナログ電流源(DAC)504は、駆動電流をVCSEL231へ供給するために用いられて良い。DAC電流源は、一般的に例えば特許文献1に議論されている。DAC電流源504は、標準的に、2進ワード又はコード510でビットを表す重み付けされた値の出力電流を生成する電流源トランジスターの配列で構成されて良い。高分解能DACは、標準的に重み付けされた電流源を利用する。当該電流源では、最上位電流ビットIMSBの最下位電流ビットILSBに対する比は、6ビットDACの場合の64:1乃至16ビットDACの場合の32,768:1である。一般的には、IMSB/ILSB=2(N−1)であり、Nはビット数である。
ある実施例では、図5に示されるように、6ビットDAC電流源504が用いられて良い。示されるように、VCSEL駆動電流508は、6ビット2進コード510を6ビットDAC504へ入力することにより選択されて良い。VCSEL321の出力パワーは、TOSAパッケージ220の内側に位置付けられて良い光検出器(PD)325からの電圧VPDにより監視されて良い。
図6を参照すると、発振率スロープは、マイクロコントローラー502によりリアルタイムに監視されて良い。実施例によると、マイクロコントローラー502は、電流コード510を、例えば主VCSEL321の動作との感知可能な干渉を有さず、+/−1LSB駆動電流だけ、周期的にディザ(つまり増加又は減少)して良い。しかしながら、この+/−1LSB変化により引き起こされるVCSEL出力パワーの僅かな変動は、PD325の出力電圧変動VPDにより検出され、レーザー平均パワーの違いを反映して良い。ある実施例では、マイクロコントローラー502は、例えば500乃至1500回毎秒のどこでも、+/−1LSBだけ電流コード510を増加又は減少して良い。勿論、この数は、用途に応じて異なる数が選択されて良い。信号VPDはマイクロコントローラー502へ供給し、従って発振率スロープ効率520の表現はリアルタイムに決定されて良い。ある実施例によると、スロープ効率は次式により決定されて良い:
図7は、プリント回路基板(PCB)712と結合される並列光モジュール700で用いられる本発明の実施例を図示する。並列光モジュール700は、例えば図5と関連して前述されたような駆動制御及びVCSEL TOSAを有して良い。並列光モジュール700は、光送信機、光受信機、又は光送受信機を有して良い。
並列光モジュール700は電気コネクター704を有し、モジュール700をPCB712と結合する。電気コネクター704は、ボールグリッドアレイ(BGA)、差し込み可能なピン配列、表面実装コネクター、等を有して良い。
並列光モジュール700は、光ポート706を有して良い。ある実施例では、光ポート706は、例えば図2に示されたSFFコネクターを有する光ポートを有して良く、又はマルチファイバープッシュオン(MPO)コネクター708を受けるために適応されて良い。MPOコネクター708は、光ファイバーリボン710と結合されて良い。ある実施例では、光ファイバーリボン710は、2個以上のプラスチック光ファイバーを有する。
ある実施例では、並列光モジュール700内のVCSELは、波長分割多重(WDM)で用いられる異なる波長で光を放出して良い。ある実施例では、並列光モジュール700は、光信号を約850ナノメートル(nm)で送信及び/又は受信して良い。別の実施例では、並列光モジュール700は、約3乃至4ギガビット毎秒(Gb/s)毎チャンネルの送信データレートを有する光信号と共に動作して良い。更に別の実施例では、並列光モジュール700により送信及び受信された光信号は、数百メートルまで伝達して良い。本発明の実施例は本願明細書に記載された光信号特性に限定されないことが理解されるだろう。
図8は、ルーター800の実施例を図示する。ルーター800は、上述のような並列光モジュール806を有する。別の実施例では、ルーター800はスイッチ又は他の同様のネットワーク要素であって良い。代案の実施例では、並列光モジュール806は、サーバーのようなコンピューターシステムで用いられて良い。
並列光モジュール806は、プロセッサー808及び記憶装置810とバス812を介し結合されて良い。ある実施例では、記憶装置810は、プロセッサー808により実行可能でありルーターを動作する、格納された命令を有する。
ルーター800は、入力ポート802及び出力ポート804を有する。ある実施例では、ルーター800は光信号を入力ポート802において受信する。光信号は、並列光モジュール806により電気信号に変換される。並列光モジュール806はまた、電気信号を光信号へ変換する。そして次に光信号はルーター800から出力ポート804を介し送出される。本発明の実施例によると、ルーター800内のレーザーのERスロープ効率は、基板周囲温度範囲に亘りリアルタイムに維持される。
本発明の図示された実施例の上述の記載は、要旨の記載も含め、網羅的でなく又は実施例を開示された詳細な形式に限定されない。本発明の特定の実施例及び例が本願明細書に説明を目的として記載されたが、当業者が認識する種々の同等の更が可能である。これらの実施例は、上述の詳細な説明を考慮に入れ本発明の実施例になされ得る。
以下の請求項で用いられる用語は、本発明を明細書に開示された特定の実施例に限定すると見なされるべきではない。むしろ以下の請求項は、請求項解釈の確立された原則に従い解釈されるべきである。
Claims (20)
- 装置であって:
レーザー;
前記レーザーと接続された可変電流源;
前記レーザーの出力に応じて信号を出力する光検出器;及び
前記レーザーへの前記電流源の出力を変化し及びフォトダイオードからの信号を監視し前記レーザーの発振率スロープ効率を決定する制御部、を有し、
前記可変電流源は、前記計算された発振率スロープ効率に応じて前記レーザーへの駆動電流を調整する、装置。 - 前記可変電流源は、2進電流コードに応答して出力電流を有するデジタルアナログ電流(DAC)源を有する、請求項1記載の装置。
- 前記制御部は、前記2進電流コードを+/−1最下位ビット(LSB)だけ周期的に変化する、請求項2記載の装置。
- 前記制御部は、前記2進電流コードを1秒につき500乃至1500回、周期的に変化する、請求項3記載の装置。
- レーザー制御方法であって:
2進電流コードに応答してデジタルアナログ電流(DAC)源でレーザーに駆動電流を供給する段階;
前記2進電流コードを+/−1最下位ビット(LSB)だけ変化する段階;
前記変化する段階の間、前記レーザーの出力を監視する段階;
発振率スロープ効率をリアルタイムに計算する段階、を有する方法。 - 前記2進電流コードを1秒につき500乃至1500回、周期的に変化する段階、を更に有する請求項6記載の方法。
- 駆動電流を調整し発振スロープ効率を維持する段階、を更に有する請求項6記載の方法。
- 前記監視する段階は:
前記レーザーから光出力を受信する光検出器からの電圧出力信号を監視する段階、を有する、請求項6記載の方法。 - 前記レーザー及び前記光検出器を光送信用サブアセンブリ(TOSA)内にパッケージする段階、を更に有する請求項9記載の方法。
- システムであって:
少なくとも
垂直共振器表面発光レーザー(VCSEL);及び
前記VCSELの出力を監視する光検出器;
を有する光送信用サブアセンブリ(TOSA);並びに
前記VCSELを駆動する可変電流源;
前記光検出器の出力を用い、駆動電流が変化された場合、前記VCSELの発振率スロープ効率をリアルタイムに計算するマイクロコントローラー;
を有する制御回路、
を有するシステム。 - 前記TOSA及び制御回路はルーターの一部を有する、請求項12記載のシステム。
- 前記可変電流源は、前記マイクロコントローラーからの2進コードに従い前記駆動電流を出力するデジタルアナログ電流源(DAC)を有する、請求項12記載のシステム。
- 前記駆動電流は、2進電流コードを+/−1最下位ビット(LSB)だけ変化することにより変化される、請求項14記載のシステム。
- 一定発振率レーザー駆動回路であって:
垂直共振器表面発光レーザー(VCSEL)及び光検出器を有する光送信用サブアセンブリ(TOSA);
前記VCSELに駆動電流を供給するデジタルアナログ電流源(DAC);
前記DACへ2進コードワードを供給し、前記2進コードワードに従い駆動電流のレベルを出力するマイクロコントローラー、を有し、
前記マイクロコントローラーは、前記2進コードワードをディザし、及び前記光検出器からの出力信号を監視し前記VCSELの発振率スロープをリアルタイムに計算し、及び新しい2進コードワードを選択し周囲温度条件の変化の間、前記発振率スロープ効率を実質的に一定にする、一定発振率レーザー駆動回路。 - 前記ディザは:
+/−1最下位ビット(LSB)だけ変化される前記2進電流コードワードを有する、請求項16記載の回路。 - 前記TOSAを収容するスモールフォームファクター(SFF)モジュール、を更に有する、請求項16記載の回路。
- 前記SFFモジュールは光送受信機の一部を有する、請求項19記載の回路。
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