JP2008523630A - リアルタイム一定発振率（ｅｒ）レーザー駆動回路 - Google Patents

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Ｎ_１にある電子がより高いエネルギーレベルＮ_２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Ｎ_２にある電子がエネルギーレベルＮ_１へ降下すると、光が放出される。エネルギーレベルＮ_２にある電荷ｎ_２の、エネルギーレベルＮ_１及びＮ_２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Ｖ_ＰＤ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Ｉ_ＭＳＢの最下位電流ビットＩ_ＬＳＢ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、Ｉ_ＭＳＢ／Ｉ_ＬＳＢ＝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Ｖ_ＰＤ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Ｖ_ＰＤ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Ｖ_ＰＤ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：

リアルタイムの発振率スロープ効率を知ることは、従ってマイクロコントローラーに電流コードを調整させ、従ってＶＣＳＥＬ３２１を駆動する駆動電流５０８を調整し、種々の周囲温度及び条件にわたり実質的に一定のスロープを維持し、従ってＥＥＰＲＯＭルックアップテーブルの使用及び関連する欠点を除去する。

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。

レーザーパワー対駆動電流を表すグラフであり、低温及び高温で動作する垂直共振器表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の発振率（ＥＲ）スロープの変化を図示する。 本発明の実施例によるスモールフォームファクター（ＳＦＦ）光送受信機パッケージの平面図である。 図２に示されるＳＦＦの送信機部分を有して良い光送信用サブアセンブリ（ＴＯＳＡ）の簡略側面図である。 ＴＯＳＡの部分を有するＴＯ−ｃａｎの平面図である。 ＴＯＳＡの駆動制御を示すブロック図である。 ＶＣＳＥＬの発振率をリアルタイムに決定するために、デジタルアナログ電流（ＤＡＣ）源への電流コードを＋／−１の最下位ビット（ＬＳＢ）だけ周期的に増加及び減少することを図示するグラフである。 本発明によるある実施例を実施する並列光モジュールのブロック図である。 本発明によるある実施例における、ＶＣＳＥＬ及び制御スキームを実施する光ルーターのブロック図である。

Claims (20)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. リアルタイム発振率スロープ効率は：
   

   

   として決定され、
   Ｖ_ＰＤは前記光検出器の出力信号であり、及び
   ＩはＤＡＣ源の出力である、請求項３記載の装置。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 

    により前記レーザーのリアルタイム発振率スロープ効率を決定する段階、を更に有し、
    Ｖ_ＰＤは前記光検出器の電圧出力信号であり、及び
    Ｉは前記ＤＡＣ源の電流出力である、請求項９記載の方法。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 前記発振率スロープは：
    

    

    として決定され、
    Ｖ_ＰＤは前記光検出器の出力信号であり、及び
    Ｉは前記ＤＡＣの電流出力である、請求項１７記載の回路。
19. 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。
20. 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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