(57)【要約】【課題】  ポンプ光出力用の半導体レーザを含む光増幅器に関し、使用環境に対応して半導体レーザの能力いっぱいの駆動を可能とする。【解決手段】  希土類ドープ光ファイバ１に光カプラ８を介してポンプ光を入力して、入力光信号Ｐｉｎを増幅する光増幅器に於いて、半導体レーザ２を封止した半導体レーザケース５の温度を検出するケース温度検出器１３と、このケース温度検出器１３による検出温度と半導体レーザケース５の予め設定した温度上限値とを比較して、この温度上限値より検出温度が低い時に、半導体レーザ２の光出力レベルの上限値を上昇するように設定変更し、光出力レベルの上限値を超えない範囲で、半導体レーザ２に駆動電流を供給する制御回路７とを備えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類ドープ光ファイバに半導体レーザからのポンプ光を入力して光信号を増幅する光増幅器に於いて、
前記半導体レーザを封止した半導体レーザケースの温度を検出するケース温度検出器と、
該ケース温度検出器による検出温度と前記半導体レーザケースの予め設定した温度上限値とを比較して前記検出温度が低い時に、前記半導体レーザの光出力レベルの上限値を上昇するように設定変更し、該光出力レベルの上限値を超えない範囲で前記半導体レーザに駆動電流を供給する制御回路と
を備えたことを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
前記半導体レーザと、該半導体レーザを冷却する温度制御素子とを前記半導体レーザケースに封止し、該半導体レーザケースに前記ケース温度検出器を固定したことを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号とポンプ光とを希土類ドープ光ファイバに入力して、光信号を増幅出力する光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光増幅器を構成する希土類ドープ光ファイバは、エルビウム（Ｅｒ）ドープ光ファイバ（ＥＤＦ；Ｅｒｂｉｕｍ  Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ）が比較的多く採用されており、例えば、波長１．４８μｍ又は０．９８μｍのポンプ光を入力することにより、波長１．５５μｍ近傍の光信号を増幅することができる。図４は、従来の光増幅器のブロック図を示し、５１は希土類ドープ光ファイバ（ＥＤＦ）、５２は半導体レーザ（ＬＤ）、５３はペルチェ効果を用いた温度制御素子（ＴＥＣ；Ｔｈｅｒｍｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｅｒ）、５４は感温素子としてのサーミスタ（Ｔｈ）、５６は自動温度制御部（ＡＴＣ）、５７は制御回路、５８は光カプラ、５９，６０は光分波器（ＴＡＰ１，ＴＡＰ２）、６１，６２は受光素子（ＰＤ１，ＰＤ２）を示す。
【０００３】
入力端ＩＮからの入力光信号Ｐｉｎは、光分波器５９と光カプラ５８とを介して希土類ドープ光ファイバ５１に入力され、又光分波器５９により一部分波された光信号が受光素子６１に入力されて電気信号に変換され、制御回路５７に入力される。又半導体レーザ５２からのポンプ光は光カプラ５８を介して希土類ドープ光ファイバ５１に入力され、増幅された光信号は、光分波器６０を介して出力端ＯＵＴから出力光信号Ｐｏｕｔとして出力され、その一部が光分波器６０により分波され、受光素子６２により電気信号に変換されて、制御回路５７に入力される。この場合、ポンプ光を希土類ドープ光ファイバ５１の前方から入力する前方向励起の構成を示すものであるが、後方向励起又は両方向励起の構成も知られている。
【０００４】
又温度に対応して抵抗値が低下する特性のサーミスタ５４により半導体レーザ５２の温度を検出し、その検出温度に対応して半導体レーザ５２を冷却する温度制御素子５３を、自動温度制御部５６により制御して、半導体レーザ５２の温度上昇を抑制する。即ち、ペルチェ効果を用いた温度制御素子５３の半導体レーザ５２側を冷却側とし、その反対を発熱側となるように電流を供給して、半導体レーザ５２を冷却する。従って、半導体レーザ５２の駆動電流を増加して、ポンプ光レベルを増加すると、半導体レーザ５２の温度が上昇するが、その温度上昇をサーミスタ５４により検出し、自動温度制御部５６は温度制御素子５３に供給する電流を増加させて、半導体レーザ５２の温度上昇を抑制する。
【０００５】
又制御回路５７は、出力光信号Ｐｏｕｔのパワーを一定に制御するＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）モード、増幅利得を一定に制御する利得一定モード、或いは、半導体レーザ５２に供給する電流を一定に制御するＡＣＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）モード等に従った構成を備えているものであり、ＡＰＣモードの場合は、受光素子６２により変換された出力光信号Ｐｏｕｔのレベルが設定された一定値となるように、制御回路５７から半導体レーザ５２の駆動電流を制御する。又利得一定モードの場合は、受光素子６１により変換された入力光信号Ｐｉｎのレベルに相当する信号と、受光素子６２により変換された出力光信号Ｐｏｕｔのレベルに相当する信号とを制御回路５７に入力し、入力光信号Ｐｉｎと出力光信号Ｐｏｕｔとの比を求め、予め設定した利得を下回る場合は、半導体レーザ５２の駆動電流を増加させ、反対に、予め設定した利得を上回る場合は、半導体レーザ５２の駆動電流を減少させる制御によって、光信号の増幅利得を一定に維持することになる。又ＡＣＣモードの場合は、制御回路５７は、半導体レーザ５２の駆動電流を、設定された値になるように制御することになる。
【０００６】
例えば、図５の（Ａ）は、希土類ドープ光ファイバ５１に入力するポンプ光レベルと利得との関係曲線を示し、又図５の（Ｂ）は、ポンプ光レベルをパラメータとして光出力レベルと利得との関係曲線を示す。即ち、ポンプ光レベルを増加させると、利得が増加して、光出力レベルが上昇する。そして、飽和状態となると、光入力レベルに対応して光出力レベルが上昇しなくなるから利得は減少する。
【０００７】
図６は、半導体レーザ５２と、ペルチェ効果を利用した温度制御素子５３と、ヒートシンク７１と、パッケージ基板７２とレンズ７３，７４と、光ファイバ７５とを含む概略構成を示す。パッケージ基板７２上に、温度制御素子５３を固定し、この温度制御素子５３の上に、ヒートシンク７１を介して半導体レーザ５２を固定する。又半導体レーザ５２を含む部分は図示を省略したケースにより封止し、そのケースの気密窓を介して光ファイバ７５と光学的に結合する構成とする場合が一般的である。又感温素子としてのサーミスタ５４は図示を省略しており、例えば、ヒートシンク７１の一部に固定することができる。又半導体レーザ５２の駆動電流の供給経路と、温度制御素子５３に供給する電流の供給経路は図示を省略している。
【０００８】
図７は、半導体レーザ５２の温度ＴＬＤを２５℃に維持する場合に於いて、ペルチェ効果を用いる温度制御素子５３の消費電力と、半導体レーザ５２の出力光パワーとの関係を、サーミスタ５４の検出温度をパラメータとして示す曲線図であり、横軸は半導体レーザ５２の出力パワー［Ｗ］を示し、縦軸は温度制御素子５３の消費電力［Ｗ］を示す。検出温度は、３５℃，４５℃，５５℃，６５℃，７５℃の場合について示す。
【０００９】
又半導体レーザの温度をサーミスタによる温度検出部により検出し、検出した温度に対応して、半導体レーザを冷却するペルチェ素子に供給する電流を、温度対ペルチェ電流関数指示部により制御する半導体レーザの自動温度制御回路も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１６８４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
光増幅器は、その使われる場所により、（１）光送信器に近接して設置され、光出力をアップする為に用いられるブースターアンプ、（２）光伝送路の中間に設置され、光伝送路により減衰した光信号を増幅する為のインラインアンプ、（３）光受信機に近接して設置され、減衰した受信光信号を最小受信レベルよりも上になるように増幅するプリアンプがあり、夫々異なった特性が重視される。
【００１１】
このうち、光送信器の近傍に設置されるブースターアンプは、その性質上、あまり利得やＮＦ（Ｎｏｉｓｅ  Ｆｉｇｕｒｅ）は要求されないが、光ファイバ伝送路の損失をカバーできる程度の比較的大きな光出力レベルが要求される。この為、希土類ドープ光ファイバ増幅器を動作させる為に必要なポンプ光発生用の半導体レーザは、大出力のものが要求され、通常バタフライ型とも称される前述の図６に示すようなペルチェ効果を用いた温度制御素子を内蔵した構成が使用されている。
【００１２】
この為、光増幅器としての消費電力は、光出力レベルが１０数ｄＢの場合でも数Ｗとなるから、温度上昇が問題となる。そこで、半導体レーザの定格上限温度を超えないように、半導体レーザの駆動電流や温度制御素子の消費電力等による自己発熱による温度上昇を考慮して、光出力レベルの上限値を定めている。しかし、このような設定による光増幅器を、比較的設置環境が良好な条件下で使用する場合、その光増幅器として最大光出力レベルよりもかなり低い値で上限値が設定されていることになり、極めて不経済な構成となっている問題がある。
【００１３】
本発明は、使用環境条件に対応して最大限の光出力が可能となる光増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の光増幅器は、希土類ドープ光ファイバに半導体レーザからのポンプ光を入力して光信号を増幅する光増幅器に於いて、前記半導体レーザを封止した半導体レーザケースの温度を検出するケース温度検出器と、該ケース温度検出器による検出温度と前記半導体レーザケースの予め設定した温度上限値とを比較して前記検出温度が低い時に、前記半導体レーザの光出力レベルの上限値を上昇するように設定変更し、該光出力レベルの上限値を超えない範囲で前記半導体レーザに駆動電流を供給する制御回路とを備えている。
【００１５】
又前記半導体レーザと、該半導体レーザを冷却する温度制御素子とを前記半導体レーザケースに封止し、該半導体レーザケースに前記ケース温度検出器を固定した構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
半導体レーザからのポンプ光レベルの上限値を、半導体レーザケースの検出温度に従って設定変更することにより、予め設定された半導体レーザケースのケース温度の上限値に達するまで、半導体レーザからのポンプ光レベルを上昇させることが可能となり、光増幅器の使用環境に従って、半導体レーザから最大限のレベルのポンプ光を出力させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の光増幅器は、図１を参照すると、半導体レーザ２を封止した半導体レーザケース５の温度を検出するケース温度検出器１３と、このケース温度検出器１３による検出温度と半導体レーザケース５の予め設定した温度上限値とを比較して、検出温度が低い時に、半導体レーザ２の光出力レベルの上限値を上昇するように設定変更し、光出力レベルの上限値を超えない範囲で、半導体レーザ２に駆動電流を供給する制御回路７とを備えている。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例１の説明図であり、１は希土類ドープ光ファイバ（ＥＤＦ）、２は半導体レーザ（ＬＤ）、３はペルチェ効果を用いた温度制御素子（ＴＥＣ；Ｔｈｅｒｍｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｅｒ）、４は感温素子としてのサーミスタ（Ｔｈ）、５は半導体レーザケース、６は自動温度制御部（ＡＴＣ）、７は制御回路、８は光カプラ（ＷＤＭ）、９，１０は光分波器（ＴＡＰ１，ＴＡＰ２）、１１，１２は受光素子（ＰＤ１，ＰＤ２）、１３はケース温度検出器、１４は駆動制御部、１５，１６，１７はアナログ・デジタル変換部を含む入力インタフェース部、ＴＢは温度と設定上限値との関係を格納したテーブルを示す。
【００１９】
半導体レーザ２と温度制御素子３とサーミスタ４とを封止すると共に、半導体レーザ２からのポンプ光を光カプラ８に入力できるように構成した半導体レーザケース５に、ケース温度検出器１３を固定し、そのケース温度検出器１３の温度検出信号を、制御回路７の入力インタフェース部１７を介して駆動制御部１４に入力する。又半導体レーザ２の温度をサーミスタ３により検出し、温度自動制御部６は、サーミスタ３による検出温度に対応して温度制御素子４に対する電流を制御し、温度制御素子４の冷却側に設けた半導体レーザ２の温度上昇を抑制するもので、この温度制御素子４による半導体レーザ２の温度抑制手段については従来例と同様である。
【００２０】
又半導体レーザケース５内に、半導体レーザ２と温度制御素子３とサーミスタ４とを封止した場合を示すが、半導体レーザケース５内に、半導体レーザ２のみを封止した構成とし、温度制御素子３やサーミスタ４を省略した構成とすることも可能である。この半導体レーザケース５の温度を、ケース温度検出器１３により検出して制御回路７に入力する。制御回路７は、入力インタフェース部１５，１６，１７と駆動制御部１４とを含み、駆動制御部１４は、プロセッサにより構成することができるもので、予めメモリ等に、温度と設定上限値との関係を格納したテーブルＴＢを有する構成の場合を示す。例えば、利得一定モードにより制御する場合、入力端ＩＮの入力光信号Ｐｉｎの一部を光分波器９により分波して受光素子１１に入力し、電気信号に変換して制御回路７に入力する。又出力端ＯＵＴ側の出力光信号Ｐｏｕｔの一部を光分波器１０により分波して受光素子１２に入力し、電気信号に変換して制御回路７に入力する。
【００２１】
又半導体レーザケース５の温度を検出するケース温度検出器１３は、例えば、図２に示すように、半導体レーザケース５に固定した放熱フィン２０側に設けることができる。このケース温度検出器１３による半導体レーザケース５の検出温度は、使用環境温度と半導体レーザ２の光出力レベルにほぼ対応した温度とに関連したものとなる。なお、半導体レーザ２（ＬＤ）は、例えば、図６に示すように、温度制御素子により冷却される構成又は温度制御素子を省略した構成を備え、気密窓を介して半導体レーザ２（ＬＤ）の出力光を取り出す構成等の詳細な構成は図示を省略している。
【００２２】
半導体レーザ２の駆動電流は、制御回路７の駆動制御部１４から供給されるもので、ポンプ光レベルは、駆動電流を大きくすることにより上昇させることができ、このポンプ光レベルを上昇させると、光増幅器としての利得を上昇させることができる。従って、利得一定モードにより制御する場合、受光素子１１から入力インタフェース部１５に入力される信号レベルと、受光素子１２から入力インタフェース部１６に入力される信号レベルとの比が一定となるように、駆動制御部１４は、半導体レーザ２の駆動電流を制御するものである。又波長多重伝送システムに於いては、チャネル（光波長）数の増加や減少を行う場合が一般的であり、例えば、チャネル数増加の場合、ポンプ光レベルを上昇させるように制御するものである。即ち、チャネル数情報を、図示を省略した経路で制御回路７に入力し、チャネル数増加の場合、駆動制御部１４から半導体レーザ２に供給する駆動電流を増加させることになる。
【００２３】
又駆動制御部１４は、前述のように、半導体レーザ２の定格上限温度を超えないように、ポンプ光レベルの上限を設定するものであるが、本発明に於いては、このポンプ光レベルの上限値を、ケース温度検出器１３により検出した温度に従って設定変更するものである。即ち、半導体レーザケース５の温度をケース温度検出器１３により検出して、入力インタフェース部１７を介して駆動制御部１４に入力し、駆動制御部１４は、この検出温度に対応して、半導体レーザ２の光出力レベルの上限値を変更し、チャネル数増加等の場合のポンプ光レベルの上昇を行う場合、光出力レベルの設定変更した上限値を超えない範囲で、半導体レーザ２の駆動電流の増加制御を行うものである。従って、使用環境温度の影響も受けるケース温度検出器１３の検出温度に対応して、半導体レーザ２の出力光レベルの上限値を設定変更するものであり、設定した半導体レーザケース５の温度上限値に達するまで、半導体レーザ２の光出力レベルを上昇させて、半導体レーザ２の許容特性いっぱいの利用を可能とすることができる。
【００２４】
図３は、本発明の実施例１の作用説明図であり、半導体レーザ２の光出力レベルと、半導体レーザケース５の温度との関係を示し、鎖線で示す半導体レーザケース５の温度の上限に対して、初期状態に於いては、半導体レーザケース５の温度は低いものである。この半導体レーザ２の駆動初期に於いて、半導体レーザ２の光出力レベルがＰ１の場合、半導体レーザケース５の温度は、温度の上限値に対して充分に低いものであり、例えば、動作点がａ点であるとすると、次第に半導体レーザケース５の温度が上昇し、例えば、動作点がｂ点に移動して安定化する。この時の半導体レーザケース５の温度は、上限値に対して低いので、半導体レーザ２の光出力レベルの上限値をＰ２に設定変更する。
【００２５】
この状態に於いて、前述のチャネル数増加により、駆動制御部１４は、半導体レーザ２の駆動電流を、光出力レベルの上限値Ｐ２を超えないように増加する。それにより、動作点は、ｂ点からケース温度が同一のｃ点に移動する。又半導体レーザ２の駆動電流の増加により温度も上昇し、例えば、動作点は、ｃ点からｄ点に移動して安定化する。このｄ点に於けるケース温度は、半導体レーザケース５の温度の上限値に比較して低いので、光出力レベルの上限値をＰ２からＰ３に設定変更する。
【００２６】
このように、半導体レーザケース５の温度の上限値に達するまで、半導体レーザ２の光出力レベルの上限値の設定変更を行うことにより、使用環境が良好で、半導体レーザケース５の温度上昇が低く抑えられる状況に於いては、使用環境が良好でない場合に比較して光出力レベルを高く設定変更することになり、半導体レーザ２の能力いっぱいまで、光出力レベルを上昇させる制御が可能となる。
【００２７】
前述のように、ケース温度検出器１３による半導体レーザケース５の温度と、光出力レベルの設定上限値との関係を、例えば、駆動制御部１４のテーブルＴＢに設定し、ケース温度検出器１３の検出温度と、予め固定設定したケース温度の上限値とを比較し、検出温度が上限値より低い場合は、その時のケース温度に対応した光出力レベルの上限値を読出して、ケース温度の検出温度対応の光出力レベルの上限値を設定変更する。このように、ケース温度の予め設定した上限値に達するまで、光出力レベルの上限値の設定変更を行うことにより、予め半導体レーザ２の定格上限温度を基に、光出力レベルの許容上限値を設定する従来例に比較して、本発明に於いては、使用環境条件に対応して、半導体レーザ２の能力いっぱいまで駆動制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例１の説明図である。
【図２】半導体レーザケースとケース温度検出器との説明図である。
【図３】本発明の実施例１の作用説明図である。
【図４】従来例の説明図である。
【図５】ポンプ光レベルと利得との関係説明図である。
【図６】半導体レーザの概略構成説明図である。
【図７】温度制御素子の消費電力と半導体レーザの出力光パワーとの関係説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    希土類ドープ光ファイバ（ＥＤＦ）
２    半導体レーザ（ＬＤ）
３    温度制御素子（ＴＥＣ）
４    サーミスタ（Ｔｈ）
５    半導体レーザケース
６    自動温度制御部（ＡＴＣ）
７    制御回路
８    光カプラ（ＷＤＭ）
９，１０  光分波器（ＴＡＰ１，ＴＡＰ２）
１１，１２  受光素子（ＰＤ１，ＰＤ２）
１３  ケース温度検出器
１４  駆動制御部
１５，１６，１７  入力インタフェース部
ＴＢ  テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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