JP2018502485A - 同調可能な光デバイスおよびサブアセンブリに対して制御、モニタリング、および通信するための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本特許出願は、「Methods and Apparatus for Controlling Tunable Optical Devices and Subassemblies」と題され、2014年11月20日に出願された米国仮特許出願第62/082,545号の利益を主張するものであり、この米国仮特許出願の全開示が全体として参照により本明細書に援用される。
・クライアントもしくはホスト、またはファイバ通信チャネルとの往復の通信インターフェース、
・波長可変レーザの波長の記憶および管理、
・外部の消去可能プログラマブルリードオンリメモリ(EPROM:erasable programmable read−only memory)に対するプログラマブルリードオンリメモリ(PROM:programmable read only memory)−シリアル周辺機器インターフェース(SPI:serial peripheral interface)のフラッシュインターフェース、
・電圧および電流を介してインターフェース接続している、波長可変レーザ、変調器、オプトエレクトロニクス、電子機器、センサ、ならびに他の制御およびモニタリングの接点に対する、全ての制御およびモニタリング機能のための設定電流および電圧、
・光、電子、およびフォトニック集積回路(PIC:photonic integrated circuit)のモニタリング、
・ボックスカー平均化装置および他の信号処理機能、
・自動光パワー制御、
・波長ロッキング、
・線幅狭窄化のアルゴリズムおよび回路(例えば、パウンドドレバホール(PDH:Pound Drever Hall))、
・温度のモニタリングおよび制御、
・アラームおよびモニタリングの制御および通信、
・アプリケーションプログラミングインターフェース(API)、ならびに
・十分に較正されたスタンドアロンの、着脱可能なものへ集積する準備ができている、またはオンボードの−デジタルの制御/モニタリング/データ−オンボードの較正されたEPROM。
・送信された光信号のチャープを含み、波長可変レーザの出力波長および他のパラメータに基づいて制御を調節した、データ変調させた波長可変レーザの光学特性の制御、
・温度の影響を受ける構成要素(例えば、レーザ、エタロン、等)に関する温度のモニタリングおよび制御、
・(例えば、利得セクションおよび電圧制御した減衰器を調節することによる)レーザ出力パワーに関する制御および/または調節、
・温度の関数になることもできる電流−波長制御マップを埋め込むことにより、ミラー、共振器、位相セクション、および他の波長同調可能な部品を制御することによる波長可変レーザのレーザ波長の制御、
・波長ロッカの回路および機能の制御およびモニタリング。内部のマッピングは、波長ロッカを使用し、波長可変レーザの較正および再較正に応じてリアルタイムに変えることもできる、
・マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサと比較されるような、状態サイズと同様な、より大きなFPGAのメモリ容量を要求する機能、
・互いに独立して動作することができ、所与のクロック速度で、シリアルの有限状態マイクロプロセッサと比較してより高い性能に至り、より高い耐障害性、個別に処理をオン、オフすることによる電力を管理する能力、ならびに、完全コードを書き直して再コンパイルする必要のない個別の更新処理を伴う並列処理、
・ホストの故障時の継続稼働(例えば、ホストが故障した場合に、ユニットが依然として動作し続けることができる制御インターフェース)、
・是正措置(例えば、レーザ出力パワーが低下するか、またはレーザ波長がシフトした場合、ロッカおよび他の機構に従って、FPGAが是正措置をとることができる)、ならびに
・異なるアプリケーションに適合するように再プログラムすることができる他の機能。したがって、1つのチップまたはより小さな電子チップのサブセットを、多種多様のアプリケーションおよびPIC、スイッチ、または送信機および受信機のサブアセンブリにわたって使用することができ、生産量を引き上げ、費用を低減し、ならびに最終的には消費電力およびサイズを小さくする。
・ホスト通信インターフェースおよびメモリマップ、
・波長の記憶および管理、
・外部の消去可能プログラマブルリードオンリメモリ(EPROM)に対するプログラマブルリードオンリメモリ(PROM)−シリアル周辺機器インターフェース(SPI)のフラッシュインターフェース、
・設定電流および電圧、
・光および電子ならびにフォトニック集積回路(PIC)のモニタリング、
・ボックスカー平均化装置、
・自動出力制御、
・波長ロッキング、
・(パウンドドレバホール(PDH)のような)線幅狭窄化のアルゴリズム、
・温度のモニタリングおよび制御、
・アラームおよびモニタリングの制御および通信、ならびに
・アプリケーションプログラミングインターフェース。
本開示の1つの態様では、フィールドプログラマブルデバイス103は、IC間バス(I2C:Inter−IC bus)および/もしくはシリアル周辺機器インターフェース(SPI)、または他の独自プロトコルなどの、標準的なシリアルプロトコルを実装できるスレーブコントローラを含むことができる。あらゆるマイクロプロセッサ/マイクロコントローラまたはシステムオンチップ(SoC:system−on−chip)をベースとするシステムに対する本技術の利点は、本開示のスレーブコントローラは、ハードコアではないというものであり、したがって、フィールドプログラマブルデバイス103内のホストインターフェースの要求事項に適うように、容易に修正することができる。
本開示の1つの態様では、自動出力制御(APC)機能またはループは、フィールドプログラマブルデバイス103内に並列で独立したモジュールまたは処理として実装することができる。APC制御機能またはループは、波長可変レーザ(例えば、U−レーザ)内の半導体光増幅器(SOA:semiconductor optical amplifier)の電流の比率も維持しながら指令されたレベルでレーザ出力パワーを動的に維持し、波長可変レーザは適正な変調に要求されるマッハツェンダー(Mach Zehnder)型変調器区間内の光電流の平衡を維持する。図4は、APCおよびAPCループを可能にする部品と共に、WO2014/107537として、2014年7月10日に公開された米国特許出願第61/748,415号に記載されたような、PICの同調可能な変調器の例のブロック図を示している。さらに、FPGA、PLD、または同様の技術などのフィールドプログラマブルデバイスの技術を使用した外部の制御機能またはループのブロック図の例も図5に示す。
光レーザモジュールの消費電力を削減する際の制限因子のうちのひとつは、特定の正確さの範囲内にレーザ発振波長を維持するために、稼働中にレーザの温度を安定化させる必要があるということである。典型的には、レーザが±0.05℃の範囲内で安定する必要があり、特に温度範囲の極端な地域(典型的な温度範囲が−5℃から70℃)では、温度の安定化を容易にするように構成された熱電冷却器(TEC)は、この基準値を満たすために、著しい量の電力を消費する可能性がある。例えば、レーザが温度20℃である必要があり、環境が70℃のとき、レーザのパッケージが80℃から85℃であることを意味し、TECは、60℃から65℃の範囲の温度ギャップに跨る必要がある。
Imirror(t)=at2+bt+c
ただし、a、b、およびcは、所与の波長に対して特異であることも特異でないこともある定数であり、tはレーザの温度である。したがって、それぞれのチャネルは、変化する温度に伴い、ミラー電流を正確に印加するために、チャネルに関する追加のパラメータを要求することもあれば要求しないこともある。
本開示の1つの態様では、線幅低減アルゴリズムは、FPGA、PLD、または同様のものなどの、フィールドプログラマブルデバイス103または531内に並列で独立したモジュールまたは処理として、デジタル的に実装することができる。例として、パウンドドレバホール(PDH)技法などの線幅低減アルゴリズムは、安定したキャビティに対してロッキングすることによって波長可変レーザからの光の周波数を安定化させるための広範に使用される強力な手法である。PDH技法のためのアプリケーションの範囲は広く、干渉計型重力波検出器、原子物理学、および時間計測基準を含むことができ、これらの多くは、周波数変調分光などの関連技法も使用する。
波長可変レーザ/変調器内の多くのパラメータは、リアルタイムモニタリングおよび動的制御ループへのフィードバックを要求する。また、パラメータは、較正および分析目的のために多くの動作点での計測を要求し、これらの計測を実行できる速度は、波長可変レーザの大規模な生産を可能にするために重要になり得る。
波長ロッキングアルゴリズムは、ファブリ−ペローのエタロンの反応に基づいて、動作条件の変化に対して正確な設定点でレーザ波長を維持するためにレーザ波長を動的に同調する。典型的には、エタロンは、標準ITU仕様と一致した波長および間隔でピーク反応を有するが、原則として波長は、エタロンの設計に依存する任意の値または間隔になるはずである。
本開示の別の態様では、波長可変レーザの温度制御のための処理は、他の処理とは異なるクロック信号で走るように構成されたフィールドプログラマブルデバイス(例えば、FPGA/PLD)内に並列で独立した処理として実装することができる。図21は、温度制御処理の1つの実装形態の図の例を示している。例として、モジュール2129(例えば、temp_pid)は、TECコントローラ2135を通じて、ディスクリートPIDループを使用して付随したTEC2131をモニタリングし制御する。モジュール2129は、TECの実温度が設定温度と同じになるまで、設定可能なサンプルレート(時定数)で入力およびサーボとして所望温度を受け取るように構成することができる。
u(k)=u(k−1)+a0*e(k)+a1*y(k)+a2*y(k−1)+a3*y(k−2)
ただし、u(k)は出力、
u(k−1)は事前に計算された出力、
e(k)は、設定温度と実温度との差、y(k)、y(k−1)、y(k−2)は、TECコントローラからの1つおよび2つのサンプル遅延入力温度。
a0=Ki*Ts、
a1=Kp−(Kd/Ts)、
a2=Kp+(2Kd/Ts)、
a3=−Kd/Ts。
・TEC_init_proc:TECが最初に動作可能になると、サンプル期間に比例した期間、しかし約5.8秒以上の間、赤色アラームによる停止が抑制される。
・Temp_control:アラーム限界、電流限界、およびPID限界を設定し、モニタリングする。
・PID_proc:PIDのALUの初期化およびPIDのALUの優先順位付けを制御する有限状態機械(FSM:finite state machine)。
・Pid_mpy_inst:同期32ビット出力レジスタを用いる、埋込型で平行な符号付きの16x16乗算器のインスタンス。これは、PIDのALUの一部である可能性がある。
・Local_CLK_Proc:増分100μsのプログラム可能なサンプルクロック発生器。
・係数KiおよびKdをゼロに設定する。
・一定の振幅でループが振動するまで、(利得)係数Kpを増加させる。
・振動の周期−これは、以下のテーブルのTuであることに留意されたい。
・利得値Kp−これは、以下のテーブルのKu、つまり、極限の利得であることに留意されたい。
サンプルレートおよび1次のフィルタ係数を選択した後、スプレッドシートの「Ku、Tu」ワークシートを使用してKuを、次にTuの値を発見できることに留意されたい。
本開示の1つの態様では、1つまたは複数の多重チャネル移動平均(「ボックスカー」としても知られる)フィルタは、フィールドプログラマブルデバイス(例えば、FPGAまたはPLD)内にデジタル的に実装することができ、ボックスカーフィルタは、例えば、10GのTOSA電子機器回路基板内の24個のADCチャネルのそれぞれに対して、設定可能なローパスフィルタリングを提供するように構成することができる。24個のチャネルのそれぞれは、サンプル0、1、2、4、8、16、32、64、128、または256の異なるフィルタ深度に設定することができる。この能力は、短期間の変動またはランダムでより高い周波数ノイズに対して必要となる、ADC出力データのフィルタリングを可能にすることができる。フィルタ深度および使用可能性は、レジスタのメモリ空間内のレジスタに関連した一連のチャネル番号を通じてプログラムすることもできる。フィルタリングされた出力が有効であることを特定する前に、所与のフィルタチャネルに対するサンプルメモリは、サンプルで満たされていなければならない。したがって、1つの実装形態では、サンプルが取られたときに、全てのサンプルと最も古いサンプルを差し引いた新しいサンプルとの合計は、平均し、フィルタの出力値として表すことができる。
本開示の1つの態様では、登録されたメモリマップおよびデバイス波長テーブルの状態は、1つまたは複数の不揮発性フラッシュメモリ(例えば、Mcronix flash memory、MX25L4006E)内に格納することができる。それぞれのフラッシュメモリは、容量4MBのデバイスにすることができ、適正な性質を適用するためにデバイスの起動中に、および、エンドユーザが設定した全体システムの挙動を維持する際に必須である可能性がある。書込みの際に、フラッシュにそのバイトを直接書き込む一連のレジスタが存在する可能性がある。したがって、電力が循環すると、そのバイトデータは持続し、ユーザが設定した性質を維持することができる。不揮発性フラッシュメモリのアドレス空間の例は、図23Aに示すように設定することができる。また、波長定義テーブルは、図23Bに示すように設定することができる。それぞれの波長テーブルは、32バイト構造にすることができ、それぞれのデバイスは、フィールドプログラマブルデバイスの内部であるか外部であるかに関わらず、多くの波長テーブルのための記憶空間を含むことができる。
本開示の1つの態様では、光通信システムまたはデバイスの起動時に、オンボードのファームウェアの性質によって、エンドユーザによって決定された状態にデバイスを置くために2つの手順を経ることができる。例えば、この手順は、登録されたメモリマップをファームウェアシステムにロードすること、および、波長テーブルを通信システムのRAMの記憶領域にコピーすることを含むことができる。メモリ空間のそれぞれは、4096バイト(4KB)として設定することができる。図23Aのフラッシュメモリマップに示したように、レジスタのメモリマップは、0x70000で始めることができる。起動時に、オンボードのファームウェアの性質によって実行される第1の手順は、レジスタの値をファームウェアのレジスタ空間にコピーすることである。実行される第2の手順は、0x71000で始まるフラッシュからデバイス上の波長のRAMの空間に波長テーブルをコピーすることである。一旦、メモリの全てがフラッシュからコピーされると、「電流の波長」に対するレジスタの値がデバイスによって読み出され、その波長はレーザ電極のレジスタに書き込まれる。この時点で、デバイスは、完全に起動し、構成することができ、選択された波長をロードし、動作の準備が整う。この実装形態では、フラッシュストレージデバイスからレジスタおよび波長データの全てをコピーするのにおよそ0.4msかかる可能性がある。
本開示の1つの態様では、アプリケーションプログラミングインターフェース(API)は、DLL実行可能ライブラリによって実装することができる。APIのDLLをコード化しているプロジェクトにインポートすることによって、APIのユーザは、波長可変レーザの制御電子機器を制御する機能にアクセスできる。ユーザが利用できるAPIの機能によって、ユーザが、シリアル通信ポートを適正に開くこと、レジスタのインターフェースから読み出すことおよびそこへ書き出すこと、ならびに、直接デバイスの温度を読み、電極電流を設定し、モニタリング電圧を読み、波長を設定し、レーザおよびレーザTECのオン、オフを行うためのいくつかのより高いレベルのマクロ機能を提供することさえ、可能にすることができる。したがって、本開示は、APIを介してアクセスできる、ソフトウェアによって可能になる特徴を提供することができ、例えば、実際の通信量に基づいた、1つまたは複数のモジュールまたは処理の幅広いリアルタイム制御およびモニタリングを提示する。上述したように、このようなプログラミング性は、リアルタイムに帯域幅を拡大縮小することおよび別ルートで送信することによる光学層における前例のないレベルの柔軟性および即応性、所与の光ファイバの設備からのより高い帯域幅の抽出、ならびにデータネットワークを計画し、構築し、運用し、および維持することに関する複雑性および関連費用の削減を提供する。
Claims (20)
- 光デバイス、フォトニック集積回路またはサブアセンブリに対して制御し、モニタリングし、および/または通信するための装置であって、
光デバイスまたはサブアセンブリと、
前記光デバイスまたはサブアセンブリに連結されたプログラム可能なハードウェアゲートを含むフィールドプログラマブルデバイスであって、前記光デバイスまたはサブアセンブリに対して制御、モニタリング、および/または通信するためにゲートレベルで複数の機能を実装するように構成され、前記複数の機能のそれぞれが、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを使用することなく、並列処理として走るように構成されたフィールドプログラマブルデバイスと
を備える装置。 - 前記複数の機能が、前記フィールドプログラマブルデバイス内で異なるクロック信号で走るように構成された、請求項1に記載の装置。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスに連結された1つまたは複数のアナログ/デジタル変換(ADC)回路およびデジタル/アナログ変換(DAC)回路をさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスが、波長可変レーザ、光データの変調器/復調器、内部または外部の光学的および光電子的なモニタリングおよび制御機能からなる群から選択される前記光デバイスまたはサブアセンブリの1つまたは複数の部品を制御するように構成された、請求項1に記載の装置。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスが、1つまたは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)またはプログラマブル論理デバイス(PLD)を備える、請求項4に記載の装置。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスが、計測温度に基づいて、および、前記フィールドプログラマブルデバイス内に格納されたテーブル間を移動すること、または温度波長マップ間に外挿することのうちの少なくとも1つによって、温度熱電冷却器(TEC)の負荷を削減するために前記波長可変レーザのレーザ制御電流を前記計測温度に自動的に適応するように構成された、請求項4に記載の装置。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスが、
(i)レーザ出力パワーの制御および/またはモニタリングと、
(ii)前記光デバイスまたはサブアセンブリに関連する、温度の影響を受ける構成要素の制御および/またはモニタリングと、
(iii)波長可変レーザのレーザ波長の制御および/モニタリングと、
(iv)波長ロッカ機能の制御と、
(v)ホストに連結された1つまたは複数の通信インターフェースの制御および/またはモニタリングと
からなる群から選択された1つまたは複数の機能を走らせるように構成された、請求項1に記載の装置。 - 前記光デバイスまたはサブアセンブリが、前記フィールドプログラマブルデバイスに集積された通信インターフェースを備え、好ましくは、前記プログラマブルデバイスが、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記通信インターフェースが、波長可変レーザ、光データ変調器/復調器、または、モノリシックに集積された他の光または光電子部品に対する制御、モニタリング、および/または通信を可能にする、グラフィカルユーザインターフェース(GUI)またはアプリケーションプログラミングインターフェース(API)に対するソケットのうち1つまたは両方を備える、請求項8に記載の装置。
- ソフトウェア層を使用して、高速な波長較正のアルゴリズムを実装するために、前記フィールドプログラマブルデバイスを通じて、波長可変レーザと相互作用する、請求項9に記載の装置。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスが、ソフトステートマシン、電子フィルタ、制御およびフィードバックループ、決定回路、ならびに通信インターフェースを含む1つまたは複数の機能を実装するように構成され、それぞれの機能が、前記フィールドプログラマブルデバイス内の異なるクロック信号で並列処理として実行される、請求項1に記載の装置。
- 前記複数の機能が、波長可変レーザからの光の線幅を低減し、および/または波長可変レーザからの光の周波数を安定させるために、パウンドドレバホール(PDH)のアルゴリズムを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスの再プログラム可能なハードウェアゲート内に前記PDHのアルゴリズムが実装され、前記再プログラム可能なハードウェアゲートのうちのいくつかが、波長ロッキングの機能を実装するために使用される、請求項12に記載の装置。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスの前記再プログラム可能なハードウェアゲートが、ホスト通信インターフェース、メモリマップ、波長のメモリおよび管理、外部の消去可能プログラマブルリードオンリメモリ(EPROM)に対するプログラマブルリードオンリメモリ(PROM)−シリアル周辺機器インターフェース(SPI)のフラッシュインターフェース、前記光デバイスまたはサブアセンブリに対する設定電流および電圧、光および電子構成要素のモニタリング、ボックスカー平均化装置、自動出力制御、波長ロッキング、線幅狭窄化のアルゴリズム、温度のモニタリングおよび制御、アラームの生成、ステータスのモニタリング、制御および通信、ならびにアプリケーションプログラミングインターフェースのうちの少なくとも1つを実装するように構成された、請求項13に記載の装置。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスが、無線通信を介して前記装置に連結されたグラフィカルユーザインターフェース(GUI)からの、または、光通信リンク上の離れたサイトに設置された別の装置のGUIからの、1つまたは複数の制御信号を受け取るように構成された、請求項1に記載の装置。
- 光変調器および半導体光増幅器、非集積型の光および光電子部品と同じ基板上に集積された波長可変レーザを含む光デバイスまたはサブアセンブリと、
前記光デバイスまたはサブアセンブリ、ならびにレーザ送信機および受信機に連結されたプログラム可能なハードウェアゲートを含むフィールドプログラマブルデバイスであって、前記光デバイスまたはサブアセンブリに対して制御、モニタリング、および/または通信するために、ゲートレベルで複数の機能を実装するように構成され、前記複数の機能のそれぞれが、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを使用することなく、並列処理として走るように構成された、フィールドプログラマブルデバイスと
を備える光通信システム。 - 前記フィールドプログラマブルデバイスが、1つまたは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)またはプログラマブル論理デバイス(PLD)を備える、請求項16に記載の光通信システム。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスが、実際の通信量に基づいて前記光デバイスおよびサブアセンブリのリアルタイムの制御およびモニタリングのためのアプリケーションプログラミングインターフェース(API)を備えるように構成された、請求項17に記載の光通信システム。
- 前記複数の機能が、前記フィールドプログラマブルデバイス内で異なるクロック信号で走るように構成された、請求項16に記載の光通信システム。
- 前記フィールドプログラマブルデバイスが、前記光変調器および前記半導体光増幅器、非集積型の光および光電子部品と同じ基板上に集積された前記波長可変レーザに対する制御、モニタリング、および/または通信を可能にするグラフィカルユーザインターフェース(GUI)またはアプリケーションプログラミングインターフェース(API)に対するソケットのうち1つまたは両方を含む通信インターフェースを備える、請求項16に記載の光通信システム。
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