JP2003115800A - 光送信器および光伝送システム - Google Patents
光送信器および光伝送システムInfo
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Abstract
提供すると共に、40Gbps以上の簡易な高速な近距
離光伝送システムを構築する。 【解決手段】 直流バイアス制御部12でバイアス条件
を高く設定して常に注入電流の変化幅内での緩和振動周
波数frが高い状態を保ち、変調電流駆動部13で駆動
振幅を一定に保つことで、半導体レーザダイオードにお
ける直接変調の高速化をはかる。また、LD11の出力
ポートな分散媒質を配置し、LD変調光の持つチャーピ
ングを用いて信号光波形の立ち上がりと立下りに要する
時間を短縮する。更に、高耐入力光受信器と組合わせる
ことで、消光比劣化を伴う光送信器出力波形に対して高
いSNRを保ち高速な短距離光伝送システムを構築す
る。
Description
超高速光伝送リンクに用いて好適な、光送信器および光
伝送システムに関する。
通信では、光送信器が光源として持つ半導体レーザダイ
オード(LD)をオンオフして得られる強度変調信号
が、伝送媒体である光ファイバ中で減衰され、光受信器
に到達する。光受信器で光信号は電流に変換され、負荷
抵抗にかかる電圧として取り出される。この方法は、変
復調の立場から強度変調直接検波と称され、従来からL
Dの電流をオンオフして強度変調を行うLD直接強度変
調が簡易な強度変調手段として用いられる。この場合、
情報は光の強度(エネルギー)に載せられ運ばれてい
る。
来における光送信器の構成例(a)ならびにその動作例
(b)を示す。図10に示されるように、通常、直流バ
イアス電流Ibは閾値電流Ith以上にバイアスされ、I
bからIb+Is(変調電流振幅)まで間で注入電流を
変化させ、LDから出力される光信号強度を変調する。
このとき、従来は、Ibの動作点を選ぶ場合、光のロー
レベルにおける発光強度をなるべく小さくして受信器に
おけるショット雑音を減らすためにIbをIthに可能な
範囲で近づけ、場合によってはIbをIth以下にバイア
スすることが行われる。
の直接強度変調を用いた従来の光送信器では、光のロー
レベルにおけるショット雑音を低減し、光受信器の受信
感度の向上をはかるために、バイアス電流Ibを、閾値
電流Ithに可能な限り近づけてバイアスすることが一般
的に行なわれる。
る緩和振動周波数frは、一般に(Ib−Ith)0.5に
比例するため、できるだけ高いバイアス条件で変調した
方が高速変調特性が向上する。従って、これらのトレー
ドオフを考慮してバイアスレベルを設定することが従来
行なわれてきた。しかしながら、バイアス電流Ibを閾
値電流Ithに近い値に設定したままでLD直接変調の高
速化を行うためには、変調振幅を速度とともに拡大して
緩和振動周波数frを高い値に設定する必要がある。こ
のことは、駆動回路の駆動振幅を速度とともに拡大する
必要があり、高速化によるトランジスタの耐圧の低下を
考えた場合、駆動回路の実現が困難となり、LD直接変
調の高速化を妨げていた。
あり、バイアス条件を高めに設定して常に注入電流の変
化幅内での緩和振動周波数frが高い状態を保つバイア
ス電流制御を行うことでLD直接変調の高速化をはか
り、40Gbps以上の高速な光伝送システムを構築可
能な、光送信器および光伝送システムを提供することを
目的とする。また、LD変調光の持つチャーピングを用
いて信号光波形の立ち上がりと立下りに要する時間を短
縮することにより、LD直接変調の高速化をはかり、結
果的に高速な光伝送システムを構築可能な、光送信器お
よび光伝送システムを提供することも目的とする。更
に、高耐入力光受信器と組合わせることで、消光比劣化
を伴う光送信器出力波形に対して高いSNRを保ち高速
な短距離光伝送システムを容易に構成することが可能な
光伝送システムを提供することも目的とする。
ダイオードを光源として持つ光送信器であって、前記光
源を、前記光源が持つ緩和振動周波数が伝送速度の1/
4以上になるように直流バイアスする直流バイアス制御
手段と、前記光源を、前記緩和振動周波数が伝送速度の
1/4以下になる注入電流領域に変調振幅条件が反映さ
れないように光強度変調する変調電流駆動手段とを備え
たことを特徴とする。
バイアス条件を高く設定して常に注入電流の変化幅内で
の緩和振動周波数frが高い状態を保ち、変調電流駆動
手段で駆動振幅を一定に保つことで、半導体レーザダイ
オードにおける直接変調の高速化がはかれる。なお、
「緩和振動周波数」とは、半導体レーザダイオード(L
D)の光の強度が注入電流変化に対し、過渡的に振動
し、緩和する時間の逆数として定義され、LDの変調帯
域を支配するパラメータである。
を光源として持つ光送信器であって、前記光源を、前記
光源が持つ緩和振動周波数が伝送速度の1/4以上にな
るように直流バイアスする直流バイアス制御手段と、前
記光源を、前記緩和振動周波数が伝送速度の1/4以下
になる注入電流領域に変調振幅条件が反映されないよう
に光強度変調する変調電流駆動手段と、前記光源の出力
ポートに接続され、負の波長分散特性を持つ分散媒質手
段とを備えたことを特徴とする。本発明によれば、半導
体レーザダイオードの出力ポートに適切な大きさの負の
波長分散を持つ分散媒質を配置することにより、波長分
散とチャーピングによるパルス圧縮効果により、光信号
波形の立ち上がり時間と立下り時間が短縮される。な
お、チャーピングとは、光源に変調をかけたときの波長
のシフトをいい、また、分散媒質手段として、例えば、
負の波長分散特性を持つ分散補償ファイバ(DCF)や
チャープドファイバグレーティングが使用される。
と、前記送信器により送信出力される光強度変調信号が
伝播する光伝送媒体と、前記光伝送媒体を介し前記光送
信器によって送信出力される直接光強度変調信号を受信
し、電気信号に変換する光受信器と、を備えたことを特
徴とする。また、本発明は、半導体レーザダイオードか
ら成る光源と、前記光源を、前記光源が持つ緩和振動周
波数が伝送速度の1/4以上になるように直流バイアス
する直流バイアス制御手段と、前記光源を、前記緩和振
動周波数が伝送速度の1/4以下になる注入電流領域に
変調振幅条件が反映されないように光強度変調する変調
電流駆動手段とから成る光送信器と、前記送信器により
送信出力される光強度変調信号が伝播する光伝送媒体
と、前記光伝送媒体を介し前記光送信器によって送信出
力される直接光強度変調信号を受信し、前記光伝送媒体
の波長分散を補償して直接検波し、電気信号に変換する
光受信器とを備えたことを特徴とする。
定して常に注入電流の変化幅内での緩和振動周波数fr
が高い状態を保つバイアス電流制御を行うことでLD直
接変調の高速化をはかり、このことにより、40Gbp
s以上の高速な短距離光伝送システムを構築できる。
から成る光源と、前記光源を、前記光源が持つ緩和振動
周波数が伝送速度の1/4以上になるように直流バイア
スする直流バイアス制御手段と、前記光源を、前記緩和
振動周波数が伝送速度の1/4以下になる注入電流領域
に変調振幅条件が反映されないように光強度変調する変
調電流駆動手段と、前記光源の出力ポートに接続され、
負の波長分散特性を持つ分散媒質手段とから成る光送信
器と、前記送信器により送信出力される光強度変調信号
が伝播する光伝送媒体と、前記光伝送媒体を介し前記光
送信器によって送信出力される直接光強度変調信号を受
信し、前記光伝送媒体の波長分散を補償して直接検波
し、電気信号に変換する光受信器とを備えたことを特徴
とする。
ピングを用いて信号光波形の立ち上がりと立下りに要す
る時間を短縮することによってLD直接変調波形のもと
もと持っている符号間干渉の低減をはかり、結果的に4
0Gbps以上の高速な短距離光伝送システムを構築で
きる。光伝送媒体の分散値によっては、光受信器内の波
長分散補償機能は用いなくともよい。
ショット雑音限界の信号対雑音比を実現する受信レベル
を持つ直接光強度変調信号を受信する直接検波受信手段
を備えたことを特徴とする。本発明によれば、ショット
雑音限界で受信する直接検波受信手段を備えた高耐入力
の光受信器と組合わせることで、消光比劣化を伴う光送
信器出力波形に対して高い信号対雑音比を保ち高速な光
伝送システムを構築できる。
の一実施形態を説明するために引用した図であり、
(a)にその構成がブロック図で、(b)にその概略動
作が示されている。図1(a)において、本発明の光送
信器1は、光アイソレータがその出力に配置されたLD
11と、バイアス制御部12と、変調電流駆動部13で
構成される。光送信器1は、LD11を光源として持
ち、直流バイアス制御部12は、このLD11を緩和振
動周波数が伝送速度の1/4以上になるように直流バイ
アスし、変調電流駆動部13は、LD11を緩和振動周
波数が伝送速度の1/4以下になる注入電流領域に変調
振幅条件が反映されないように光強度変調する。
に、直流バイアス制御部12でLD11を閾値電流Ith
より深くバイアスし、Ib>Ithとすることにより、緩
和振動周波数frを高く設定する。この状態で、変調電
流振幅Isで強調変調する。このとき光出力のハイレベ
ルとローレベルをそれぞれPH、PLとして図1(b)の
ように定義する。この場合、消光比r=PH/PLが大き
くとれず、b点、d点で示すローレベルにおいても発光
しているが、変調電流変化範囲Ib<I<(Ib+I
s)において緩和振動周波数frが十分高く、LD11
のもつ帯域が十分とれるので、波形応答特性が改善され
る。
d Feed Back)−LDモジュール10としてNEL社
製NLK1352SSC−Lを用いた40Gbpsにお
ける変調実験結果を示す。このDFB−LDモジュール
10は、10Gbps用に開発された直接変調用モジュ
ールであり、15mAの閾値電流Ithを持つ。図2に示
されるように、光アイソレータ内蔵のDFB−LDモジ
ュール10は、40Gbpsの2値NRZ信号を入力と
して得、LD駆動回路20を介して駆動されることによ
り光信号を生成出力するものであり、インピーダンスの
整合をはかるために、直列に45Ωの抵抗が実装されて
いる。
電圧依存性を図3に示す。図3に示されるように、バイ
アス電流を70mA以上にすると緩和振動周波数が20
GHzを超え、Ib=140mAは、3dB帯域が30
GHz近くになることがわかる。この状態で2つバイア
ス電流条件Ib=30mA=2×IthおよびIb=10
0mAについて、2値のNRZ(Non Return to Zer
o)信号をIs=80mAで変調した場合の波形応答特
性をそれぞれ、図4(a)(b)に示す。図4(a)で
は、全駆動振幅範囲(30<I<110mA)において
緩和振動周波数frが低く、変調帯域が2GHz以下に
なる条件が多く含まれ、40Gbps瞳開口が得られな
い。一方、図4(b)では、全駆動振幅範囲(100<
I<180mA)において緩和振動周波数が20GHz
以上であるため、消光比r=0.5と劣化するものの、
40Gbpsの良好な瞳開口が得られている。このとき
の光平均出力は光アイソレータを内蔵したDFB−LD
モジュール10出力で+12.5dBmであった。
施形態を説明するために引用した図であり、(a)にそ
の構成をブロック図で、(b)にその概略動作が示され
ている。図1に示した実施形態との差異は、LD11の
光出力ポートに分散媒質14を配置した点である。LD
11のチャーピングは通常レッドチャープであるため適
切な大きさの負の波長分散を持つ分散媒質14を配置す
ると、波長分散とチャーピングによりパルス圧縮効果に
よって光波形の立ち上がり時間と立下り時間が短くな
る。分散を加える前のLD11出力波形がもともと持っ
ている符号間干渉が、この効果により低減される。
に分散媒質14、例えば、−24ps/nmの負の分散
補償ファイバ(DCF)を用いて与えた場合の波形応答
を図4(c)に示す。図4(c)によれば、波形の立ち
上がり時間と立下がり時間が短くなり、瞳開口が改善さ
れることがわかる。伝送速度が高速化すると付加する分
散量は、小さくなり、40Gbpsにおいて、DCFの
分散量は、−24ps/nmと小さい。このため挿入損
失も1dB以下と小さくでき、LD11の出力ポートに
配置しても大きな過剰損失は生じない。このため、光送
信器1内に組み込んでも送信出力の顕著な低下は招か
ず、光増幅器などによる損失補償は必要としないですむ
利点がある。
実施形態を説明するために引用した図である。ここで
は、図1、図5に示す光送信器1に2値NRZ信号が入
力され、光送信器1出力は光伝送媒体2に出力される。
光伝送媒体2は光ファイバ伝送路であってもよい。光伝
送媒体2の出力ポートには直接検波を用いた光受信器3
が接続される。光受信器3は、フォトダイオード31
と、等価増幅回路32と、クロックデータリカバリ回路
33(CDR)で構成される。すなわち、光受信器3で
は、フォトダイオード31によって検知された光信号
は、等価増幅回路32で等化増幅された後、CDR回路
33で識別される。
40Gbpsにおいて計算すれば以下のようになる。 Q=Is’/(σ1+σ0) …(1) ここで、σ1とσ0は、それぞれマークビットとスペース
ビットの分散であり雑音パワーに相当し、以下の(2)
式で与えられる。また、Is’はフォトダイオード31
で受信した時の変調電流振幅である。 σ1 2=2eIsB/(1‐r’)+Ieq 2B …(2) σ0 2=2eIsBr’/(1−r’)+Ieq 2B …(3) ここで、eは素電荷量1.60×10-19(c)、Bは
受信帯域であり、ここでは簡単のために伝送速度に等し
いとし40GHzとした。Ieq(A/√Hz)は入力換
算雑音電流密度であり、ここでは50Ωの熱雑音パワー
密度に等しい18pA/√Hzとした。r’は、受信器
3で受光した場合の信号電流の消光比である。受信器3
のダイナミックレンジが広い場合、一般に送信器rと
r’は等しくなる。以下では説明を簡単にするためにr
=r’とするが、r≠r’の場合も以下の議論は有効で
ある。
ットした結果を示す。ここでは波長1.55umとし、
受信器3の量子効率を0.8A/Wとして計算してい
る。また図7では、消光比rとして、r=0の理想的な
場合と、r=0.5、r=0.9の場合を想定してい
る。
=0の消光比が比較的とれている場合になるべく近い光
送信系を実現する。このとき、BER(Bit Error Ra
te)で示される誤り率は、10-15以下を与える(Qフ
ァクタは18dBを満たす)。平均受信パワーは40b
psにおいて−15dBmである。消光比が比較的高く
とれる場合、受信器3のSNRは熱雑音に支配され、平
均受信パワーが増加するにつれ、20dB/decadeの傾
きをもつてQファクタが改善される。このため、伝送媒
体2の損失が10dB程度以下の短いリンクであれば、
一般的に光出力パワーである0dBm程度の送信パワー
を持つ光送信器1を用いて、誤り無しの伝送がSNRと
して可能となる。
は、LD11を深くバイアスした送信器1を用い、図5
に示す実施形態のように、消光比が0.5程度と劣化す
る場合がある。このような場合、図5に示したように、
送信器1の平均光出力としては市販のDFB−LDモジ
ュール10を用いて+20dBmと大きくとれる。この
ため、伝送媒体2の損失が10dB程度以下の比較的短
いリンクであれば、光受信器1の入力パワーとしては0
dBm程度以上の受信パワーで受信できる。平均受信電
力が0dBm以上であれば、平均受信パワーが増加する
につれ、図7では、10dB/decadeの傾きをもってQ
ファクタが改善され、この場合、受信器3のSNRはシ
ョット雑音により支配される。消光比r=0の場合に比
べ、r=0.5の場合、Qファクタは劣化するがrが
0.5以下であれば、平均受信パワー0dBm以上にお
いて、Q>30dB以上の高いSNRが確保でき、誤り
無しの伝送が可能となる。伝送損失が小さい場合等で
は、送信器1出力に近いパワー(10dBm)が入力さ
れる場合もあり、受信器3を構成するフォトダイオード
31や、等化増幅器32の入力パワートレランスは高い
ことがのぞまれる。
実験システムを説明するために引用した図であり、図8
(a)は光送信システム、図8(b)は光受信システム
を示す。具体的には、実際に、高耐力フォトダイオード
310と、InPHEMT(HighElectron Mobility Tra
nsistor)を用いた識別回路330を、モノリシックデ
ジタルOEIC30(光−電気変換IC:参照文献
N.Simizu etal.Eiectron.Lett.Vol.36,pp.(200
0))に集積し、1:2分離回路34を付加して受信器
3とし、図1、図5に示した送信器1との対向の誤り率
特性を評価した実験系である。図8において、図2、図
6に示され符号と同一番号が付されたブロックは図6に
示すそれと同じとする。また、符号100は、ここにし
めされる実験システムな各種信号パターンを生成出力す
るパターン発生器、300は、可変減衰器、400は、
BER特性を求めるために光受信器3に外付けされる誤
り検出器である。ここに示される光受信器3は、上記し
たように耐入力トレランスが取れる単一走行キャリアフ
ォトダイオード310をInPHEMT識別回路330と
共にモノリシック集積した光受信器2であり、高い入力
光パワーを受信できる特徴を持つ。
を目盛ったBER特性評価を示す図である。ここでは、
伝送速度40Gbpsにおいて+10dBm程度の信号
を入力した場合の図4(b)に示す光波形条件(分散量
−24ps/nmを送信側で付加)に対してBER特性
を評価した結果が示されている。図9から明確なよう
に、図8(a)のDCF14を用いていない場合は、図
9符号(A)に示すように、+12.5dBm以上でB
ER<10-8となる。一方、図8(a)のDCF14を
用いた場合、符号(B)に示すように、4チャネル(c
han1〜chan4)全ての10Gbpsトリビュー
タリ信号に対して良好な受信感度特性が得られることが
理解できる。
件を高めに設定して常に注入電流の変化幅内での緩和振
動周波数が高い状態を保つバイアス電流制御を行うこと
でLD直接変調の高速化をはかり、また、必要に応じ
て、LD変調光の持つチャーピングを用いて信号光波形
の立ち上がりと立下りに要する時間を短縮することによ
り、LD直接変調の高速化をはかり、結果的に高速な光
伝送システムを構築可能な、光送信器および光伝送シス
テムを提供することができる。このことにより、簡易な
LD直接変調を用いて40Gbps以上の高速な短距離
光伝送システムを構築することができ、また本発明の光
送信器と高耐入力受信器とを組み合わせ光伝送システム
を構築することで、消光比劣化を伴う光送信器出力波形
に対しても高いSNRを保って短距離伝送リンクを容易
に構成できる。
するために引用した図である。
ジュールを用いた場合の構成例を示す図である。
バイアス電圧依存性を説明するために引用した図であ
る。
バイアス電流条件で2値のNRZ信号を変調した場合の
波形応答特性を示す図である。
明するために引用した図である。
示す図である。
均受信パワーとの関係を説明するために引用した図であ
る。
ムを説明するために引用した図である。
評価を説明するために引用した図である。
するために引用した図である。
半導体レーザダイオード(LD)、12…直流バイアス
制御部、13…変調電流駆動部、14…分散媒質(DC
F)、20…LD駆動回路、31…フォトダイオード、
32…等価増幅回路、33…クロックデータリカバリ回
路(CDR)、34…1:2分離回路、100…パター
ン発生器、300…可変減衰器、310…単一走行キャ
リアフォトダイオード、330…InPHEMT識別回
路、400…誤り検出器
Claims (6)
- 【請求項1】 半導体レーザダイオードを光源として持
つ光送信器であって、 前記光源を、前記光源が持つ緩和振動周波数が伝送速度
の1/4以上になるように直流バイアスする直流バイア
ス制御手段と、 前記光源を、前記緩和振動周波数が伝送速度の1/4以
下になる注入電流領域に変調振幅条件が反映されないよ
うに光強度変調する変調電流駆動手段と、を備えたこと
を特徴とする光送信器。 - 【請求項2】 半導体レーザダイオードを光源として持
つ光送信器であって、 前記光源を、前記光源が持つ緩和振動周波数が伝送速度
の1/4以上になるように直流バイアスする直流バイア
ス制御手段と、 前記光源を、前記緩和振動周波数が伝送速度の1/4以
下になる注入電流領域に変調振幅条件が反映されないよ
うに光強度変調する変調電流駆動手段と、 前記光源の出力ポートに接続され、負の波長分散特性を
持つ分散媒質手段と、を備えたことを特徴とする光送信
器。 - 【請求項3】 請求項2記載の光送信器と、 前記送信器により送信出力される光強度変調信号が伝播
する光伝送媒体と、 前記光伝送媒体を介し前記光送信器によって送信出力さ
れる直接光強度変調信号を受信し、電気信号に変換する
光受信器と、 を備えたことを特徴とする光伝送システム。 - 【請求項4】 半導体レーザダイオードから成る光源
と、前記光源を、前記光源が持つ緩和振動周波数が伝送
速度の1/4以上になるように直流バイアスする直流バ
イアス制御手段と、前記光源を、前記緩和振動周波数が
伝送速度の1/4以下になる注入電流領域に変調振幅条
件が反映されないように光強度変調する変調電流駆動手
段とから成る光送信器と、 前記送信器により送信出力される光強度変調信号が伝播
する光伝送媒体と、 前記光伝送媒体を介し前記光送信器によって送信出力さ
れる直接光強度変調信号を受信し、前記光伝送媒体の波
長分散を補償して直接検波し、電気信号に変換する光受
信器と、を備えたことを特徴とする光伝送システム。 - 【請求項5】 半導体レーザダイオードから成る光源
と、前記光源を、前記光源が持つ緩和振動周波数が伝送
速度の1/4以上になるように直流バイアスする直流バ
イアス制御手段と、前記光源を、前記緩和振動周波数が
伝送速度の1/4以下になる注入電流領域に変調振幅条
件が反映されないように光強度変調する変調電流駆動手
段と、前記光源の出力ポートに接続され、負の波長分散
特性を持つ分散媒質手段とから成る光送信器と、 前記送信器により送信出力される光強度変調信号が伝播
する光伝送媒体と、 前記光伝送媒体を介し前記光送信器によって送信出力さ
れる直接光強度変調信号を受信し、前記光伝送媒体の波
長分散を補償して直接検波し、電気信号に変換する光受
信器と、を備えたことを特徴とする光伝送システム。 - 【請求項6】 前記光受信器は、ショット雑音限界の信
号対雑音比を実現する受信レベルを持つ直接光強度変調
信号を受信する直接検波受信手段を備えたことを特徴と
する請求項3から請求項5のうちいずれかに記載の光伝
送システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001307830A JP2003115800A (ja) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | 光送信器および光伝送システム |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001307830A JP2003115800A (ja) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | 光送信器および光伝送システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2003115800A true JP2003115800A (ja) | 2003-04-18 |
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ID=19127231
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001307830A Pending JP2003115800A (ja) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | 光送信器および光伝送システム |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2003115800A (ja) |
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