JP4733944B2

JP4733944B2 - 光送信器

Info

Publication number: JP4733944B2
Application number: JP2004246581A
Authority: JP
Inventors: 雅樹野田; 正道野上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: JP2006066592A

Description

本発明は、光送信器に関するものであり、特に、光出力の調整範囲、光出力動作の安定性、および光送信器に具備される発光素子の劣化検出精度を改善した光送信器に関するものである。

光送信器は、光通信システムなどのフロントエンドに備えられ、電気信号を光信号に変換する役目を担う。通常、光通信システムの安定化のためには、光送信器から発せられる光信号の出力強度は環境温度や時間の経過にかかわらず常に一定値であることが望ましく、光出力を自動的に一定値に制御するＡＰＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ）方式が一般的によく用いられている。

従来、この種の、ＡＰＣ方式による光送信器に関する文献として、下記特許文献１にその開示例が存在する。この文献には、ＡＰＣ方式における光出力モニタ回路の回路構成が示されており、また同文献の従来例としては最もシンプルな回路構成も示されている。

この従来技術にかかる光出力モニタ回路にあっては、受光素子のアノード端子とグランドとの間に可変抵抗が配設され、受光素子で発生する電流を電圧に変換するようにしている。また、発光素子の光出力と受光素子の電流の変換効率とにかかる個々のばらつきを考慮するため、抵抗値を可変として電流／電圧変換の倍率を変化させ、適応可能なダイナミックレンジを拡大している。

特開平８−２９８３３７号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される光送信器では、発光素子の光出力と受光素子の電流の変換効率が大きいものに対しては可変抵抗を小さな値に、逆に変換効率が小さいものに対しては可変抵抗を大きな値にすることで光送信器の光出力を調整するようにしている。この場合、受光素子の電流と抵抗値との積が一定値となる関係式が成り立つ。つまり、受光素子の電流と抵抗値とは反比例の関係にある。したがって、発光素子の光出力と受光素子の電流の変換効率が大きい場合には、抵抗値の誤差に対して光出力の変化が非常に敏感となり、自ずと調整可能なダイナミックレンジが制限されるという課題があった。

また、この従来技術にかかる光送信器では、ＡＰＣ動作時において発光素子の光出力が経年劣化によって低下した場合には、発光素子駆動回路の駆動電流を大きくすることで光送信器の光出力を一定値に保持しようと動作する。しかしながら、経年劣化度合が大きく発光素子駆動回路の駆動能力を超えるような場合には、所望の駆動電流を発光素子に流すことができず、光出力が低下してしまう。この場合、受光素子の電流も所望値に対して不足するため、受光素子の電流と抵抗値の積が初期値より小さくなり、ＡＰＣループが不安定となるという課題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、光出力調整の広ダイナミックレンジ特性や動作の安定性を確保し、また、発光素子の劣化検出精度を改善した光送信器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる光送信器は、発光素子と、前記発光素子の光出力を受光し、該受光した光出力の強度に比例する電流を発生する受光素子と、並列接続された抵抗と可変電流源とを有し、前記受光素子で発生する電流を電圧に変換する電流／電圧変換器と、前記電流／電圧変換器が出力する電圧信号と基準電圧源が出力する電圧信号とを比較して増幅する比較増幅器と、前記比較増幅器が出力する電圧信号に基づいて駆動電流を可変する発光素子駆動回路と、前記受光素子に並列に接続される電流源を有する自動光出力制御ループ安定化回路と、を備え、前記自動光出力制御ループ安定化回路は、前記受光素子が前記電流／電圧変換器に供給する電流の不足分を補償するように動作することを特徴とする。

この発明によれば、自動光出力制御ループ安定化回路は、受光素子に並列に接続される電流源を有し、この電流源は、受光素子が電流／電圧変換器に対して供給する電流の不足分を補償するように動作するので、電流／電圧変換器の出力電圧が基準電圧源の出力電圧に維持される。

本発明にかかる光送信器によれば、受光素子が電流／電圧変換器に対して供給する電流の不足分が自動光出力制御ループ安定化回路に具備される電流源によって補償されるので、自動光出力制御ループの安定性を向上させることができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる光送信器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下に示す回路構成は、その一例を示すものであり、本発明の技術的意義を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。同図に示す光送信器は、発光デバイスとしての発光素子１と、発光素子１の光出力を受光し、この受光した光強度に比例する電流を発生させる受光デバイスとしての受光素子２と、受光素子２で発生する電流を電圧に変換する電流／電圧変換器３と、電流／電圧変換器３が出力する電圧信号と基準電圧源４が出力する電圧信号とを比較して増幅する比較増幅器５と、比較増幅器５が出力する電圧信号に基づいて出力電流を可変する発光素子駆動回路６と、受光素子２に並列に接続される自動光出力制御ループ安定化回路７と、を備えるように構成されている。また、電流／電圧変換器３は、プルダウン抵抗３１と、電流値を可変制御する吸い込み型電流源３２と、を具備してなり、これらのプルダウン抵抗３１と吸い込み型電流源３２とは、並列接続されている。一方、自動光出力制御ループ安定化回路７は電流源７１を具備している。

つぎに、図１に示す光送信器を構成する各構成部の接続関係を説明する。同図において、発光素子１は、アノード端子が電源に接続され、カソード端子が発光素子駆動回路６に接続されている。受光素子２は、カソード端子が電源に接続され、アノード端子が電流／電圧変換器３の入力端（プルダウン抵抗３１と吸い込み型電流源３２との接続点の一端）に接続されている。自動光出力制御ループ安定化回路７の電流源７１は、受光素子２の両端に並列に接続されている。

つぎに、図１に示した光送信器の動作について説明する。ただし、以下の説明では、まず、自動光出力制御ループ安定化回路７が存在しない場合の動作について説明し、その後、この自動光出力制御ループ安定化回路７を含む場合の動作について説明する。

（自動光出力制御ループ安定化回路７が存在しない場合の動作）
図１において、発光素子１は、発光素子駆動回路６から駆動電流の供給を受けて発光する。受光素子２は、発光素子１の背面光などを受光し、この受光量に応じた電流に変換する。このとき、受光素子２で発生する電流は発光素子１の光出力の強度に比例する。電流／電圧変換器３は、受光素子２で発生する電流を電圧に変換するとともに、変換後の電圧信号を比較増幅器５に出力する。比較増幅器５は、電流／電圧変換器３が出力する電圧信号と、基準電圧源４の出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて光送信器の光出力が所定の設定値に収束するように発光素子駆動回路６の駆動電流を制御するための制御信号を発光素子駆動回路６に出力する。なお、この制御技術は自動光出力制御（ＡＰＣ）と呼ばれるものであり、電流／電圧変換器３が出力する電圧信号が基準電圧源４の出力電圧と略等しい値になるような光出力の自動制御が行われる。

ここで、光送信器に対する光出力設定の原理について説明する。一般的に、発光素子１の光出力と受光素子２の電流の変換効率は１０倍程度のばらつきを有しているので、光送信器として所望の光出力を得るためには、個々の光送信器に対して個別の調整が必要となる。一方、この実施の形態の光送信器に備えられている電流／電圧変換器３は、自動光出力制御が収束している状態では、電流／電圧変換器３の出力電圧と基準電圧源４の出力電圧とは等しくなっている。したがって、電流／電圧変換器３のプルダウン抵抗３１には基準電圧値を抵抗値で割った固定電流が流れることとなる。また、プルダウン抵抗３１に流れる電流値と電流源３２の吸い込み電流値とを加算したものが受光素子２の電流値であり、受光素子２の電流値と発光素子１の光出力とは比例関係にあるので、電流源３２の吸い込み電流値を調整することにより、光送信器の光出力を設定することができる。

このような光出力の自動制御は、例えば、発光素子１の光出力が経年劣化によって低下したような場合に実行される。このような場合、発光素子駆動回路６の駆動電流を増加させる方向への制御が行われて光送信器の光出力が一定値に保持される。

背景技術の項で述べたように、上述の特許文献１に示されている光送信器では、電流／電圧変換器が可変抵抗のみで構成されており、可変抵抗の設定抵抗値と光送信器の光出力とは反比例の関係にあるので、発光素子１の光出力や受光素子２の電流の変換効率が大きく、設定抵抗値を小さな値にする必要がある場合には、設定抵抗値の誤差に対して光出力の変化が非常に敏感となり、自ずと調整可能なダイナミックレンジが制限されるという問題点があった。

一方、この実施の形態による光送信器では、電流源３２の設定電流値と光送信器の光出力とが比例関係にあるので、発光素子１の光出力と受光素子２の電流の変換効率のばらつきに因らず、設定電流値の誤差に対する光出力の変化を常時一定に維持することができ、光出力調整のダイナミックレンジ特性を改善することができる。

（自動光出力制御ループ安定化回路７が存在する場合の動作）
つぎに、自動光出力制御ループ安定化回路７が存在する場合の動作について説明する。いま、発光素子１の経年劣化度合が大きく発光素子駆動回路６に要求される駆動電流が発光素子駆動回路６の駆動能力を超えるような場合を考える。この場合、発光素子駆動回路６は、所望の駆動電流を発光素子１に出力させることができず、光送信器の光出力が低下してしまうこととなる。このとき、発光素子１の光出力を受光する受光素子２の電流も所望値に比して不足するため、電流／電圧変換器３の出力電圧が基準電圧源４の出力電圧に到達できないので、自動光出力制御ループが収束せずに不安定となるおそれがある。

一方、この実施の形態の光送信器では、自動光出力制御が収束しない場合には、自動光出力制御ループ安定化回路７が動作し、受光素子２の電流不足分を補うように電流源７１からの電流を電流／電圧変換器３に対して供給するようにしているので、自動光出力制御が収束せずに不安定になるといった状態に陥るのを防止することができる。したがって、発光素子１の光出力が経年劣化等により低下し、発光素子駆動回路６の駆動能力以上の駆動電流が必要となった場合でも、自動光出力制御ループの安定性を向上させることができ、光出力調整の広ダイナミックレンジ特性や動作の安定性を確保することができる。

一方、この実施の形態の光送信器では、自動光出力制御が収束しない場合には、自動光出力制御ループ安定化回路７が動作し、受光素子２の電流不足分を補うように電流源７１からの電流を電流／電圧変換器３に対して供給することができる。したがって、発光素子１の光出力が経年劣化等により低下し、発光素子駆動回路６の駆動能力以上の駆動電流が必要となった場合でも、自動光出力制御ループの安定性を向上させることができ、光出力調整の広ダイナミックレンジ特性や動作の安定性を確保することができる。

なお、この実施の形態の自動光出力制御ループ安定化回路７では、上述のように、受光素子２から電流／電圧変換器３に供給される電流の不足分を補償するように動作させているが、その一方で、受光素子２で発生する電流が不十分であり、かつ、電流／電圧変換器３の出力電圧が基準電圧源４の出力電圧に達しないとき、すなわち、自動光出力制御（ＡＰＣ）が収束せず、制御ループが不安定となる場合にのみ動作させるようにしてもよい。このような制御を行うことで、エネルギー消費効率を改善することができる。

以上説明したように、この実施の形態の光送信器によれば、自動光出力制御ループ安定器の電流源は、受光素子によって電流／電圧変換器に供給される電流の不足分を補償するように動作するので、自動光出力制御ループの安定性を向上させることができ、光出力調整の広ダイナミックレンジ特性や動作の安定性を確保することができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。同図において、図１と同一な部分については、同一符号を付して示している。図２において、自動光出力制御ループ安定化回路７は、直列接続される電流源７１と抵抗７２とを備えている。また、基準電圧源８１と比較器８２とを具備する発光素子劣化検出回路８が備えられ、発光素子劣化検出回路８の入力端が、自動光出力制御ループ安定化回路７を構成する電流源７１と抵抗７２との接続点に結線されている。

つぎに、図３に示した光送信器の動作について説明する。同図において、発光素子劣化検出回路８は、入力電圧と基準電圧源８１の出力電圧との比較を実行し、その比較結果に基づいて「Ｈｉｇｈ」もしくは「Ｌｏｗ」のアラーム信号を出力する。発光素子劣化検出回路８への入力電圧は、自動光出力制御が正常に動作している場合には基準電圧源４の出力電圧が維持される。一方、発光素子１の光出力が経年劣化等により低下する場合には、自動光出力制御ループ安定化回路７が動作し、電流源７１が供給する電流によって抵抗７２に電圧降下が生じるので、電流源７１と抵抗７２との接続点の電圧は基準電圧源４の出力電圧よりも大きな値となる。したがって、基準電圧源８１の出力電圧を、基準電圧源４の出力電圧よりも高い値に設定することで、発光素子１の光出力低下を検出可能な構成することができる。例えば、基準電圧源８１の出力電圧を、基準電圧源４の出力電圧よりも１０％程度高い値に設定することができる。

このように、この実施の形態の光送信器によれば、発光素子劣化検出回路の入力端が、可変電流源と抵抗との接続点に結線されるような構成としているので、実施の形態１の効果に加え、自動光出力制御ループ安定性を損なうことなく発光素子の劣化を検出することができる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。同図において、図１と同一な部分については、同一符号を付して示している。図３において、自動光出力制御ループ安定化回路７は電流源７１を備えている。また、基準電圧源８１と比較器８２とを具備する発光素子劣化検出回路８が備えられ、発光素子劣化検出回路８の入力端が、抵抗９を介して受光素子２のアノード端子に接続されている。

つぎに、図４に示した光送信器の動作について説明する。発光素子劣化検出回路８への入力電圧は、自動光出力制御が正常に動作している場合には基準電圧源４の出力電圧が維持される。一方、発光素子１の光出力が経年劣化等により低下する場合には、自動光出力制御ループ安定化回路７が動作し、電流源７１が供給する電流によって抵抗９に電圧降下が生じるので、発光素子劣化検出回路８に接続されている電流／電圧変換器３と抵抗７２との接続点の電圧は基準電圧源４の出力電圧よりも小さな値となる。したがって、基準電圧源８１の出力電圧を、基準電圧源４の出力電圧よりも低い値に設定することで、発光素子１の光出力低下を検出可能な構成することができる。例えば、基準電圧源８１の出力電圧を、基準電圧源４の出力電圧よりも１０％程度低い値に設定することができる。

ここで、実施の形態２および実施の形態３の各発光素子劣化検出回路の機能の差異について説明する。

図２に示す実施の形態２の光送信器では、発光素子の劣化により自動光出力制御ループ安定化回路７が動作し始めると、抵抗７２の両端に生じた電圧差を発光素子劣化検出回路８が検出し、発光素子の劣化を示すアラームが発出される。

いま、実回路で電流源７１を構成する場合、電流源７１の端子間電圧としては、例えば０．５Ｖ以上確保できないと電流源７１は正常動作しなくなる。上述のように、発光素子の劣化が検出される場合では、自動光出力制御ループ安定化回路７を構成する電流源７１の端子間電圧が小さくなるので、自動光出力制御ループ安定化回路７を構成する抵抗７２の抵抗値をあまり大きくすることができない。

一方、図３に示す実施の形態３の光送信器では、発光素子の劣化により自動光出力制御ループ安定化回路７が動作し始めると、抵抗９の両端に生じた電圧差を発光素子劣化検出回路８が検出し、発光素子の劣化を示すアラームが発出される。この場合、実施の形態２の動作とは異なり、自動光出力制御ループ安定化回路７を構成する電流源７１の端子間電圧は変化しないので、抵抗９の値は電流源７１の動作には影響しない。

他方、抵抗９の抵抗値が増加すると、電流／電圧変換器３を構成する電流源３２の端子間電圧が小さくなるので、実回路上の動作にかかる検討が必要となる。電流源３２を構成する場合、前述のように、電流源３２の端子間電圧として、例えば０．５Ｖ以上の電圧を確保する必要があり、この電圧が確保できないと電流源３２は正常動作しなくなる。しかしながら、電流源３２が正常動作できなくなり、電流源３２に電流が流れなくなったとしても、比較増幅器５の入力電圧と基準電圧源４の出力電圧とが等しい状態が維持され、自動光出力制御ループの安定動作は保持される。

上述の動作により、実施の形態２の構成では、自動光出力制御ループ安定化回路７の正常動作の観点から、抵抗７２の抵抗値をあまり大きくすることはできない。一方、実施の形態３の構成では、抵抗９の抵抗値の選択に関する制約はなく、抵抗９の抵抗値を大きくすることにより、コントラストを大きくできるので、発光素子の劣化の程度を精度良く検出することが可能となる。

以上説明したように、この実施の形態の光送信器によれば、発光素子劣化検出回路の入力端が、抵抗と電流／電圧変換器との接続点に結線されるような構成としているので、実施の形態１の効果に加え、自動光出力制御ループ安定性を損なうことなく発光素子の劣化を高精度に検出することができる。

以上のように、本発明にかかる光送信器は、ＡＰＣ方式の光送信器として有用である。

本発明の実施の形態１にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態２にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態３にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１発光素子
２受光素子
３電圧変換器
４基準電圧源
５比較増幅器
６発光素子駆動回路
７自動光出力制御ループ安定化回路
８発光素子劣化検出回路
９，７２抵抗
３１プルダウン抵抗
３２，７１電流源
８１基準電圧源
８２比較器

Claims

発光素子と、
前記発光素子の光出力を受光し、該受光した光出力の強度に比例する電流を発生する受光素子と、
並列接続された第１の抵抗と可変電流源とを有し、前記受光素子で発生する電流を電圧に変換する電流／電圧変換器と、
前記電流／電圧変換器が出力する電圧信号と基準電圧源が出力する電圧信号とを比較して増幅する比較増幅器と、
前記比較増幅器が出力する電圧信号に基づいて駆動電流を可変する発光素子駆動回路と、
一端が前記受光素子のカソード端に接続され、他端が前記受光素子のアノード端に接続される電流源を有し、前記受光素子から前記電流／電圧変換器に供給される電流の不足分を前記電流源が補償する動作を行うことにより、前記発光素子、前記受光素子、前記比較増幅器および前記発光素子駆動回路を含む自動光出力制御ループの動作を安定化させる自動光出力制御ループ安定化回路と、
を備えたことを特徴とする光送信器。
一端が前記電流源の他端に接続され、他端が前記受光素子のアノード端に接続される第２の抵抗と、
比較器と基準電圧源とを有し、前記電流源と前記第２の抵抗との接続端の電位に基づいて前記発光素子の劣化を検出する発光素子劣化検出回路と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
前記受光素子のアノード端と前記電流／電圧変換器との間に挿入される第２の抵抗と、
比較器と基準電圧源と、を有し、前記第２の抵抗と前記電流／電圧変換器との接続端の電位に基づいて前記発光素子の劣化を検出する発光素子劣化検出回路と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
前記自動光出力制御ループ安定化回路は、前記受光素子で発生する電流が不十分であるときのみ動作することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光送信器。