JP6269852B2 - 光送信器及び光送受信器 - Google Patents

Description

本発明は、温度監視機能を備えた光送信器及び光送受信器に関する。

光トランシーバは小型、高速化にともないデバイスの温度監視が重要となっている。しかし高密度に実装されているため、ディスクリート部品で構成する温度監視方法は、部品配置の制約上、モニタ精度上の問題が生じる。特に送信部を構成するドライバ等の発熱をともなうアクティブデバイスにおいては、内部に温度センサを配置する例は皆無であり、外付け部品を必要としない、温度監視機能の実現が望まれている。

100Gbps級の光送受信器ではプラガブルトランシーバとしてCFP(Centum gigabit Form Factor Pluggable)、CFP2、CFP4などの標準化により、小型化が進展している。長距離用途においては、変調方式にBPSK(Binary Phase-Shift Keying)、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)、16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation)等の位相変調を用いたコヒーレント光通信技術が一般に用いられ、送信部はマッハツェンダー型変調器にて実現されている。

しかしながらニオブ酸リチウムを材料としたマッハツェンダー型変調器を駆動するには、一般的に6〜7Vppの振幅が必要とされ、インジウムリンを材料にした変調器でも必要振幅は一般的に5Vppの振幅とされる。また、直交変調、デュアル偏波に対応した４つのマッハツェンダー変調器を駆動する４チャンネルの高出力振幅ドライバが必要となり、トランシーバ内の消費電力の大きな割合を占める。この他に、光送受信器はDWDM(Dense wavelength division multiplexing)通信に対応するため、波長可変光源や、コヒーレントレシーバなどのアクティブデバイスも実装されている。さらにCFPにおいては送受の信号処理を行うDSP(Digital Signal Processor)も収容する場合もある。

小型トランシーバにおいては、これらアクティブデバイスを高密度に実装する必要があり、発熱による製品劣化を監視するために各デバイスに温度監視機能の設置が検討されている。しかしながら、変調器駆動用のドライバやレシーバに内蔵のトランスインピーダンスアンプには一般的に温度監視機能は内蔵しておらず、外部に温度センサを実装する事が一般的に行われている。

図６はCFP2に代表される高速信号処理用DSPを内蔵しない長距離用コヒーレント光トランシーバのブロック図である。ドライバ４１、コヒーレントレシーバ４２、波長可変光源４３が主な発熱をともなうアクティブデバイスであり、これらのアクティブデバイスの温度監視が望まれる。

温度センサ４６はドライバ４１の温度監視を目的としたもので、コントローラ４５を介して外部に通知を行う構成をとる。プラガブルトランシーバは入出力端子が筐体の短い辺の一方向に配置される構造となっており、送信部と受信部が隣接して配置され、特に外部との電気インターフェース部には配線および部品の実装密度が増す傾向にある。

またドライバ４１は４チャンネルの高速信号を高出力振幅に増幅する機能を持っており、消費電力が大きくドライバ裏面に放熱用ヒートシンクの設置が必要になる。それに加えて、広帯域の信号を電力効率良く増幅する必要があることから、ドライバ出力には直近に外付けバイアスティが必要になるなど、デバイス直近の実装スペースは非常に制約を受ける。

このような制約の下、温度センサ４６が配置できたとしても他のアクティブデバイスとの熱的な分離を適切に行うことは困難であり、４チャンネルあるドライバと温度センサの距離が不均一になるため温度監視の精度が落ちると言った問題がある。

このように外付けの温度センサを用いた温度監視は、高密度実装とは相反し部品数の増大を招くだけでなく、発熱体直近に温度センサを配置することは困難かつ、他のデバイスからの熱の回り込み等、精度において課題がある。

特許文献１には次のような半導体光素子が記載されている。電界吸収型変調器が集積された半導体レーザの場合、当該素子内で最も発熱するレーザ部近傍に電流−電圧特性を測定できる領域を設ける。電流−電圧特性は素子活性層部の温度によって変動するため、ある一定電流を注入したときの電圧値を読み取ることによって素子温度を検知する。

特許文献２は、受信側制御に使用される感温素子情報を用いて前記レーザモジュールならびにそれを駆動する前記ドライバ用のＩＣ（Integrated Ｃｉｒｃｕｉｔ）の温度補償制御を並行的に同時に行うものである。

特許文献３には、次のような光送信器が記載されている。レーザーダイオードの光をモニタするフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を設け、ＰＤの電流値が一定ならＰＤの電圧値が温度の一次関数になるので、この電流値でパッケージ内温度を測定するものである。

特許文献４には、送信光のモニタ光を受光する送信光モニタ用ＰＤの電圧降下を検出し、この電圧降下に基づいてパッケージ内温度を測定する光送受信器が記載されている。

特開２００６−３２４８０１号公報 特開２００７−０１９１１９号公報 特開２０１０−２５１６４６号公報 特開２０１１−１６５７１４号公報 特開２００６−０５４２７２号公報

Craig Steinbeiser, Khiem Dinh, Anthony Chiu, Matt Coutant, Oleh Krutko, Mike Tessaro, "100Gb/s Optical DP-QPSK using two Surface Mount Dual Channel Modulator Drivers" Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), 2012 IEEE pp.1-4 Hisao Shigematsu, Masaru Sato, Tatsuya Hirose, and Yuu Watanabe, "A 54-GHz distributed amplifier with 6-VPP output for a 40-Gb/s LiNbO3 modulator driver" IEEE Journal of Solid-State Circuits Volume:37 , Issue:9, pp 1100-1105

特許文献１では、レーザ部近傍に電流−電圧特性を測定できる領域を新たに設ける必要がある。これは温度センサを内蔵させることと同じである。また特許文献２では感温素子（例えばサーミスタ）を内蔵させる必要がある。さらに特許文献３、４では、ＰＤを駆動するための回路が付加されており、回路規模が増大している。

本発明の目的は、温度センサを別途設ける必要がなく、しかも小型化できる光送信器を提供することである。

本発明は、少なくとも一つの送信用ドライバを備えた光送信器であって、前記送信用ドライバの温度依存性による出力変動を検知する検出回路を設けたことを特徴とする光送信器である。

本発明によれば、温度センサを別途設ける必要がなく、しかも小型化できる光送信器を提供できる。

本発明の第１の実施形態の光送信器を示す図である。 本発明の第２の実施形態の光送受信器を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光送受信器を示す図である。 本発明の第４の実施形態の光送受信器を示す図である。 本発明の第５の実施形態の光送受信器を示す図である。 背景技術の光送受信器を示す図である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の構成を示す図である。送信用のドライバ100を備えた光送信器である。ドライバ100の温度依存性による出力変動を検知する検出器200を設けている。ホスト側からの電気入力信号を増幅し、送信器の変調フォーマットに適した信号を変調器40に出力する。ドライバ出力には検出器200が備えられており、出力信号振幅と比例した信号をコントローラ50に出力する。検出器の元々の役割はドライバ出力をモニタして故障検出等を行うことであり、本実施形態でもその役割はそのまま継続して用いる。

変調器40では光源30の光源出力を入力し、ドライバ100の信号で変調を行い、光出力ポートから信号を出力する。コントローラ50では光送信器内部に実装されたデバイスの制御と状態監視を行う機能を備えており、ホスト側と双方向の信号送受を行う。

ドライバの出力は温度によって変動する。例えばドライバにFET(Field Effect Transistor)を用いていたとすると、FETのトランスコンダクタンスgmは、一般に高温で低下する温度特性を持っている。またFETのゲート−ソース間電圧一定のもとでは、閾値電圧Vtの温度特性とあわせ、ドレイン電流が温度特性を持つ。このように温度特性を持つ出力を検知してその出力から温度を逆算することが可能である。さらに検出器として、元々送信用ドライバに内蔵されている検出器を用いる。検出器としては例えば振幅検出器、電流検出器等がある。これらは元々振幅、電流の変動を検出してコントローラ50にフィードバックしてドライバ100を正常な範囲に制御する機能がある。本実施形態ではその元々の機能はそのまま働かせ、並行して上記の温度検出を行う。そのため専用の温度センサが不要となり、小型化できしかも高精度にできる。なお、図１中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。
（第２の実施形態）
（実施形態の構成）
図２は、本発明の第２の実施形態の光送受信器の構成を示すブロック図である。

ドライバ101は４チャンネルで構成する変調器ドライバであり、ホスト側からの電気入力信号を増幅し、送信器の変調フォーマットに適した信号を変調器4に出力する。ドライバ101の各チャネルの出力には振幅検出器102が備えられており、出力信号振幅と比例した信号をコントローラ５に出力する。振幅検出機能の元々の役割はドライバ出力の振幅をモニタして故障検出等を行うことであり、本実施形態でもその役割はそのまま継続して用いる。

変調器4では波長可変光源3の光源出力を入力し、ドライバ101の信号で変調を行い、光出力ポートから信号を出力する。コヒーレントレシーバ2は光入力ポートからの信号を波長可変光源3からの単一発振光を用いてコヒーレント検波し電気信号に変換し、ホスト側に電気信号を出力する。コントローラ5ではトランシーバ内部に実装されたデバイスの制御と状態監視を行う機能を備えており、ホスト側と双方向の信号送受を行う。

温度センサ601はトランシーバの内部温度監視用の温度センサであり、温度モニタ値をコントローラ5に通知する機能を有するものとする。
（実施形態の動作の説明）
図２を用いて本実施形態の動作を説明する。

図２のドライバ101は、広帯域かつ高出力振幅であり、出力段は非特許文献１、２のようにHEMT（高電子移動度電界効果トランジスタ、High Electron Mobility Transistor）プロセスを用いたカスコード型の分布定数型アンプの構成が広く用いられている。一方、FETのトランスコンダクタンスgmはキャリアである電子の移動度が高温で低下する性質を持つため、温度依存性を持ち、gmも高温で低下する。ドライバの利得はgmと比例関係にあるため、同様に高温で利得が減少する特性を有する。入力信号振幅が一定の条件下で、トランシーバのケース温度が変化し、ドライバのFETに温度変動が生じた場合、ドライバ出力の振幅が変動する。本実施形態では振幅検出器が温度特性を持つことに着目し、その温度特性をドライバの温度測定に利用する。

ドライバの出力振幅と温度の関係を、温度を変数とする多項式で近似すると A(T)=A_o＋A₁T＋A₂T²＋…になる。ここでA(T)はドライバの出力振幅、A_oは0℃のときの温度係数、A₁は一次温度係数、A₂は二次温度係数、Tはドライバの温度である。この振幅と温度の関係は、ドライバのみで温度特性を測定できることを意味している。事前に、温度に対する出力電圧振幅のカーブを測定し、このカーブと近似式A(T)をフィッティングしてA_o、A₁、A₂、・・・を決めておく。高精度が必要であれば、高次の係数までフィッティングする。

次に振幅検出器102で検出した信号は出力振幅に対し、振幅検出値をV_det、出力振幅をA(T)とするとV_det=a+bA(T)となる。ここでaは検出回路のオフセット、bは検出回路の利得である。コントローラ５へは、V_det＝a+b(A_o＋A₁T＋A₂T²＋…)という温度特性を持った信号が入力され、V_det、a、b、A_o、A₁、A₂、…は既知なので、ドライバ温度Tを算出することができる。

また、本実施形態で用いるドライバは４チャンネル実装されている。振幅検出値はこの４つの検出値の平均値をとって、ドライバ温度のモニタ値とする。または、４つの検出値の最大値をとって、ドライバ温度のモニタ値とすることもでき、外付け温度センサを用いた場合のドライバと温度センサの位置関係には依存しない、温度検出が可能となる。さらに、ドライバ101は、BPSKなどの信号フォーマットに対応するため、各ドライバをチャンネル毎に出力信号を遮断する出力断（ディスエイブル）機能を備えている。つまり本実施形態ではドライバは４チャンネルあり、ＱＰＳＫであればそれぞれのチャネルが対応する。しかしＢＰＳＫは２チャンネルなので、余った２チャンネルについては出力断（ディスエイブル）する。コントローラ5からドライバ101には他の制御信号も出力されているが図２では出力断機能だけを表示している。

出力断するには例えば、ドライバのFETのドレイン電圧を遮断する方法があり、出力断した状態では出力振幅検出は不可能となり、ドライバの発熱もなくなる。ディスエイブルの操作はホスト側からコントローラ5を介して行う。コントローラ5はドライバ出力がディスエイブルされたとき、該当チャンネルの振幅検出値を元にしたドライバ温度のモニタは無効にし、イネイブル状態のドライバの振幅検出値よりドライバ温度のモニタ値を算出する。全てのチャンネルがディスエイブルになったときは、ドライバは熱源でなくなり周囲および他の発熱体により温度が決まるため、温度センサ601を用いてドライバの温度モニタを行う。この温度センサ601とドライバの間の内部温度差を予め測り、コントローラに記録することにより、ドライバの温度モニタ値を算出することができる。また、図２中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。

また、入力信号断のとき、出力振幅も無くなるが、ドライバのFETにはドレイン電圧が印加されているので、ドライバ自体は発熱する。そのため、振幅検出機能ではドライバ温度をモニタすることは困難となる。この場合、振幅検出範囲を規定し、コントローラ５で出力振幅の検出値が下限値より低い場合は、信号断状態と判断し、直近で入力信号を受信した時のドライバ温度のモニタ値を保持することで、温度監視を行いホスト側に通知する。
なお、本実施形態では、ドライバの入力信号振幅に対し、出力振幅が変動しないリミッティングタイプの動作を想定している。
（実施形態の効果）
本実施形態では、内蔵コントローラが、送信用ドライバに内蔵されている振幅検出機能を用い、ドライバを構成するFETの温度依存性で生じる振幅検出機能の温度特性を検知し、ドライバの温度監視を行う。そのため専用の温度センサが不要となり、光送受信器を小型化できしかも高精度にできる。
（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態の光送受信器の構成を示すブロック図である。本実施形態は、入力信号振幅に対し、出力振幅が比例の関係で出力されるリニアタイプのドライバに対応した例である。ドライバ111は、アンプの前段に第2の振幅検出器113が実装されている。アンプの後段には第１の振幅検出器112が設置されており、コントローラ511では第１の振幅検出器112の振幅検出値と第2の振幅検出器113の振幅検出値の差を計算することにより、アンプの利得を導き出すことができる。この利得の温度特性は、第１の実施形態と同様であり、利得の温度特性を逆算し、ドライバの温度モニタを行う。
（第４の実施形態）
図４は本発明の第４の実施形態の構成を示す図であり、ドライバ121のドライバを構成するFETのドレインに電流検出器122を配した例である。電流検出器122は具体的には電流検出抵抗である。電流検出器122はバイアス電流が適切な範囲に入っているかをモニタするものである。本実施形態ではこの機能はそのまま継続して用いる。

前に記したようにFETのトランスコンダクタンスgmは、一般に高温で低下する温度特性を持っている。さらにFETのゲート−ソース間電圧一定のもとでは、閾値電圧Vtの温度特性とあわせ、ドレイン電流が温度特性を持つ。ドライバの利得同様、ドレイン電流の温度特性を利用し、ドレイン電流のモニタ値をコントローラ521に入力し、ドレイン電流から温度を算出し、ドライバの温度モニタを行う。

本実施形態では送信用ドライバに元々内蔵されている電流値検出機能を用い、ドライバを構成するFETのドレイン電流の温度依存性で生じる電流値検出機能の温度特性を検知し、内蔵コントローラを用い、ドライバの温度監視を行う。そのため専用の温度センサが不要となり、小型化できしかも高精度にできる。
（第５の実施形態）
図５は本発明の第５の実施形態の構成を示す図であり、ドライバ121のドライバを構成するFETのドレインに出力波形調整器422を配したものである。出力波形調整器422は歪みや鈍りが生じた出力波形を整形する機能を持つ。出力波形は温度によって変化する。予め波形と温度の対応を調べておき、第１〜第４の実施形態と同様にして出力波形から温度を算出し、ドライバの温度モニタを行う。本実施形態では専用の温度センサが不要となり、小型化できしかも高精度にできる。
なお、図３〜図５中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。

上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
少なくとも一つの送信用ドライバを備えた光送信器であって、前記送信用ドライバの温度依存性による出力変動を検知する検出回路を設けたことを特徴とする光送信器。
（付記２）
前記検出回路は前記送信用ドライバの振幅検出器である付記１に記載の光送信器。
（付記３）
前記検出回路は前記送信用ドライバの電流検出器である付記１に記載の光送信器。
（付記４）
前記検出回路は前記送信用ドライバの出力波形調整器である付記１に記載の光送信器。
（付記５）
コントローラを更にそなえ、前記コントローラは前記検出回路の出力を前記送信用ドライバの温度に変換する付記１から４のいずれか１項に記載の光送信器。
（付記６）
前記振幅検出器の出力の温度への変換に、温度を変数とする多項式近似を用いる付記５に記載の光送信器。
（付記７）
前記送信用ドライバが複数ある場合は各送信用ドライバに設けた前記検出回路の検出値の平均値を前記複数のドライバの温度とする付記１から６のいずれか１項に記載の光送信器。
（付記８）
前記コントローラに振幅検出範囲を設定し、前記振幅検出器の検出値が前記範囲の下限より低い場合は前記送信用ドライバへの入力信号がないと判断し、直近で入力信号を受信した時の前記ドライバの温度データを保持する付記５から７のいずれか１項に記載の光送信器。
（付記９）
前記送信用ドライバは入力信号の振幅に対して出力振幅が変動しないリミッティングタイプの動作を行う付記１から８のいずれか１項に記載の光送信器。
（付記１０）
前記送信用ドライバの前段に第１の振幅検出器、後段に第２の振幅検出器を設け、前記第１と第２の振幅検出器検出値の差をとることにより前記ドライバの利得を導く付記２から９のいずれか１項に記載の光送信器。
（付記１１）
波長可変光源と変調器をさらに備え、前記変調器は前記波長可変光源の出力を前記送信用ドライバの出力で変調して光出力を行う付記１から１０のいずれか１項に記載の光送信器。
（付記１２）
付記１から１１のいずれか１項に記載の光送信器に、光入力を受信するレシーバを追加した光送受信器。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

この出願は、２０１４年１０月８日に出願された日本出願特願２０１４−２０６９５０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、CFP2光トランシーバ、長距離用小型コヒーレントトランシーバ等に用いることができる。

41、100、101、121 ドライバ
2 コヒーレントレシーバ
3 波長可変光源
30 光源
4、40 変調器
5、50、511 コントローラ
46、601 温度センサ
102 振幅検出器
112 第１の振幅検出器
113 第2の振幅検出器
122 電流検出器
200 検出器
422 出力波形調整器

Claims (10)

1. 少なくとも一つの送信用ドライバと前記送信用ドライバの出力信号をモニタして故障検出する検出回路を備えた光送信器であって、前記検出回路を、前記送信用ドライバの温度依存性による出力変動を検知する検出回路としても用いることを特徴とする光送信器。
   
   
2. 前記検出回路は前記送信用ドライバの振幅検出器である請求項１に記載の光送信器。
3. 前記検出回路は前記送信用ドライバの電流検出器である請求項１に記載の光送信器。
4. 前記検出回路は前記送信用ドライバの出力波形調整器である請求項１に記載の光送信器。
5. コントローラを更にそなえ、前記コントローラは前記検出回路の出力を前記送信用ドライバの温度に変換する請求項１から４のいずれか１項に記載の光送信器。
6. 前記振幅検出器の出力の温度への変換に、温度を変数とする多項式近似を用いる請求項５に記載の光送信器。
7. 前記送信用ドライバが複数ある場合は各送信用ドライバに設けた前記検出回路の検出値の平均値を前記複数のドライバの温度とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光送信器。
8. 前記コントローラに振幅検出範囲を設定し、前記振幅検出器の検出値が前記範囲の下限より低い場合は前記送信用ドライバへの入力信号がないと判断し、直近で入力信号を受信した時の前記ドライバの温度データを保持する請求項５から７のいずれか１項に記載の光送信器。
9. 前記送信用ドライバの前段に第１の振幅検出器、後段に第２の振幅検出器を設け、前記第１と第２の振幅検出器検出値の差をとることにより前記ドライバの利得を導く請求項２から８のいずれか１項に記載の光送信器。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の光送信器に加えて、光入力を受信するレシーバを備えた光送受信器。

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