JP2006332390A - 光周波数変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光強度変調をすることなく光周波数変調のみを行う光周波数変調器とする。
【解決手段】 レーザダイオードとして垂直共振器型面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）４を用いる。そしてＶＣＳＥＬ４から出力されるレーザ光Ｌの出力を最大にするように、定電流源３からＶＣＳＥＬ４に供給するバイアス電流の値を、バイアス制御回路６によりフィードバック制御する。同時に、ＶＣＳＥＬ４から出力されるレーザ光Ｌの周波数偏移が予め決めた所定の周波数偏移に一致するように、データ信号ｄを増幅した信号電流ｉｄをＶＣＳＥＬ４に供給する可変利得アンプ１のゲインの利得を、周波数偏移制御回路１０によりフィードバック制御する。このため、本発明の光周波数変調器は、光周波数変調のみを行ない、光強度変調を行わない純粋な周波数変調器として動作する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信や光計測で使用される光周波数変調器に関し、光強度変調を含まない純粋な光周波数変調を実現するように工夫したものである。

図４及び図５（ａ）（ｂ）を用いて従来の光周波数変調器の構成と原理を説明する。図４は従来の光周波数変調器の構成を示す図、図５（ａ）は従来の光周波数変調器における電流対光出力および電流対光周波数の関係を示す図、図５（ｂ）は従来の光周波数変調器における電流と光周波数と光出力のタイミングチャートである。

図４中、１１はアンプ、１２はバイアスティー、１３は定電流源、１４はレーザダイオードである。また図４は非特許文献１の抜粋である。

光周波数変調は一般に、レーザダイオードに流す電流を変化させると、発振する光周波数が変化するという性質を用いて実現される。用いられる構成は図４のとおりであって、レーザダイオード１４に、一定のバイアス電流を定電流源１３から印加すると同時に、データ信号に比例する電流をアンプ１１から印加する。バイアスティー１２は定電流源１３からの直流成分（バイアス電流）とアンプ１１からの高周波成分（データ信号に比例する電流）を重畳するために使用される。

図５（ａ）で光周波数変調の原理を説明する。横軸はレーザダイオード１４に流れる電流で、縦軸の左スケールは光出力、縦軸の右スケールは光周波数である。一般に光通信で用いられるレーザダイオードでは、図５（ａ）に示される通り、しきい電流ｓを超えて電流を大きくするにつれて、光出力はほぼ直線的に増加し、光周波数はほぼ直線的に減少する。

したがって、図５（ａ）に示したようにバイアス点を中心に、０レベルまたは１レベルまでの間で、レーザダイオード１４に入力する電流を変化させれば光周波数変調が実現できる。しかしながら、レーザダイオード１４に入力する電流をバイアス点を中心に０レベルまたは１レベルまでの間で変化させた場合、当然、レーザダイオード１４から出力される光出力も変化し、純粋な光周波数のみの変調ではなく、光強度・周波数変調となる。

この様子を図５（ｂ）に示した。横軸は時間で、縦軸は上から順に電流、光周波数、光出力である。上段の電流チャートのように“０１０”の順に電流を流すと、中段の光周波数のように周波数変調が得られ、同時に下段の光出力が得られる。
つまり、レーザダイオード１４に入力する電流の値を、バイアス点よりも大きな１レベルの電流値にすると、レーザダイオード１４から出力されるレーザ光は、光周波数は低くなるが光出力は大きくなり、レーザダイオード１４に入力する電流の値を、バイアス点よりも小さな０レベルの電流値にすると、レーザダイオード１４から出力されるレーザ光は、光周波数は高くなるが光出力は小さくなるというような、光強度・周波数変調となる。

さて、純粋な光周波数変調でなく、光強度・周波数変調では、０レベルの復号信号振幅と１レベルの復号信号振幅が一様でなく、理想的な復調ができない。そのため、最少受光感度などの特性が劣化する。
光強度変調の程度を抑えるために、電流の偏移を小さくする手段も知られているが、この場合も最少受信感度は劣化する。

さらに、光周波数変調器として使用されるレーザダイオードは、直接変調に基づくベースバンド伝送用のレーザダイオードより高価である。

J. M. Osterwalder and B. J. Rickeit,"Frequency modulation of GaAlAs injection lasers at microwave frequency rates, "IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-16, pp.25-252(1980)のFig.1

従来のレーザダイオードの直接変調に基づく光周波数変調器は、純粋に周波数変調のみを行うことができず、同時に強度変調も行っていた。このため、復調にあたっては十分に符号分離が出来ず、受信感度低下が発生していた。
また、使用されるレーザダイオードは高価であった。

本発明は、垂直共振器型面発光レーザダイオードのもつ電流対発振強度および発振周波数の特性を利用することによって、周波数のみの変調を行い、低価格で高受信感度の光周波数変調器を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、データ信号が入力されると、前記データ信号の状態偏移に応じて、出力するレーザ光の周波数を予め決めた所定の周波数偏移内で変化させる光周波数変調器であって、
入力する電流値を増加していった場合に、出力するレーザ光の光周波数は減少するが、出力するレーザ光の光強度は一旦増加した後に減少する特性となっている垂直共振器型面発光レーザダイオードと、
前記垂直共振器型面発光レーザダイオードにバイアス電流を印加する定電流源と、
前記垂直共振器型面発光レーザダイオードに、データ信号を増幅してなる信号電流を印加する可変利得増幅器と、
前記垂直共振器型面発光レーザダイオードから出力されるレーザ光の光出力を最大とするように、前記定電流源から出力するバイアス電流の値を制御するバイアス制御回路と、
前記垂直共振器型面発光レーザダイオードから出力されるレーザ光の実際の周波数偏移が、予め決めた所定の周波数偏移に一致するように、前記可変利得増幅器の利得を制御する周波数偏移制御回路とを具備することを特徴とする。

また本発明の構成は、前記の光周波数変調器において、前記周波数偏移制御回路は、
前記垂直共振器型面発光レーザダイオードから出力されるレーザ光が入力され、入力されたレーザ光の周波数が、予め決めた所定の周波数偏移の高周波側の周波数になったときに第１の光信号を出力し、入力されたレーザ光の周波数が、予め決めた所定の周波数偏移の低周波側の周波数になったときに第２の光信号を出力するフィルタ特性を有する光波長フィルタと、
前記光波長フィルタから出力された第１の光信号と第２の光信号をそれぞれ復調して第１の復調信号と第２の復調信号を得る光差動受信器と、
前記光差動受信器で復調した第１の復調信号の振幅と第２の復調信号の振幅が共に最大となるように、前記可変差動アンプの利得を調整する利得制御回路とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光源としてＶＣＳＥＬを用い、ＶＣＳＥＬから出力されるレーザ光の出力を最大にするように、定電流源からＶＣＳＥＬに供給するバイアス電流の値をフィードバック制御すると共に、ＶＣＳＥＬから出力されるレーザ光の周波数偏移が予め決めた所定の周波数偏移に一致するように、データ信号を増幅した信号電流をＶＣＳＥＬに供給する可変利得アンプのゲインの利得をフィードバック制御するようにしたので、本発明の光周波数変調器は、光周波数変調のみが行われ、光強度変調を含まない純粋な周波数変調器として動作する。これによって、伝送特性も向上した。

以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

図１は実施例を示す図である。図中、１は可変利得アンプ、２はバイアスティー、３は定電流源、４は垂直共振器型面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）、５は光分岐器、６はバイアス制御回路、７はマッハツェンダ（ＭＺ）干渉フィルタ、７ａはＭＺ干渉フィルタ７の一方の出力ポート、７ｂはＭＺ干渉フィルタの他方の出力ポート、８は光差動受信器、９は利得制御回路、１０は周波数偏移制御回路、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２はレーザ光、Ｌ２ａ，Ｌ２ｂは光信号である。
周波数偏移制御回路１０は、ＭＺ干渉フィルタ７、光差動受信器８及び利得制御回路９により構成されている。

構成の説明の前に、実施例の原理を、図２及び図３（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
図２及び図３（ａ）（ｂ）は実施例の原理を示す図であり、図２は実施例の概要図、図３（ａ）は実施例の光周波数変調器における電流対光出力および電流対光周波数の関係を示す図、図３（ｂ）は実施例の光周波数変調器における電流と光周波数と光出力のタイミングチャートである。図２の番号は図１の番号と同じである。

従来の技術と同様に、実施例の光周波数変調も、レーザダイオードに流す電流を変化させると、発振する光周波数が変化するという性質を用いて実現される。用いられる構成は図２のとおりであって、ＶＣＳＥＬ４に、一定のバイアス電流Ｉｂを定電流源３から印加すると同時に、データ信号ｄに比例する信号電流ｉｄを可変利得アンプ１から印加する。バイアスティー２は定電流源３からの直流成分（バイアス電流Ｉｂ）と可変利得アンプ１からの高周波成分（信号電流ｉｄ）を重畳するために使用される。

図３（ａ）で光周波数変調の原理を説明する。横軸はＶＣＳＥＬ４に流れる電流で、縦軸の左スケールは光出力、縦軸の右スケールは光周波数である。
図３（ａ）に示される通り、ＶＣＳＥＬ４に流す電流を、しきい電流ｓを超えて大きくしていくと、電流値が特定の電流値（バイアス点の電流値）になるまでは、電流値が増加するにつれて光出力は増加するが、電流値が特定の電流値（バイアス点の電流値）を越えて大きくなると、電流の増加につれてキャビティの共振周波数と半導体利得材料の利得最大周波数が一致しないため出力は低下に転じる。
一方、電流増加につれて光周波数はほぼ直線的に減少する。

結局、ＶＣＳＥＬ４に流す電流を増加していったときに、光周波数は直線的に減少するものの、光出力は一旦増加した後に減少に転じる。したがって、図３（ａ）に示したようにバイアス点を中心に、０レベルまたは１レベルまでの間で電流を変化させれば光周波数変調が実現できる。
なお、図３（ａ）に示すように、入力電流を増加していったときに、光周波数は直線的に減少するものの、光出力は一旦増加した後に減少に転じるという特性は、ＶＣＳＥＬ４の素子自体が持つ特性である。

また、このときバイアス点を適切に選択することで、強度変調成分を含まない純粋な光周波数変調となる。つまり、バイアス点の電流値を最適に設定すれば、ＶＣＳＥＬ４に入力する電流値が１レベルの電流値になったときの光周波数を低くし、ＶＣＳＥＬ４に入力する電流値が０レベルの電流値になったときの光周波数を高くする光周波数変調を実現しつつ、ＶＣＳＥＬ４に入力する電流値が１レベルの電流値になったときの光出力と、ＶＣＳＥＬ４に入力する電流値が０レベルの電流値になったときの光出力を等しくすることができる。

この様子を図３（ｂ）に示した。横軸は時間で、縦軸は上から順に電流、光周波数、光出力である。上段の電流チャートのように“０１０”の順に電流を流すと、中段の光周波数のように周波数変調が得られ、同時に下段の光出力が得られる。図３（ｂ）においても、得られた変調波は純粋な周波数変調であって、強度変調ではないことが分かる。

つまり、バイアス点を最適に設定することにより、ＶＣＳＥＬ４に入力する電流の値を、バイアス点よりも大きな１レベルの電流値にすると、ＶＣＳＥＬ４から出力されるレーザ光は、光周波数は低くなるが光出力は一定値となり、レーザダイオード１４に入力する電流の値を、バイアス点よりも小さな０レベルの電流値にすると、レーザダイオード１４から出力されるレーザ光は、光周波数は高くなり光出力は前記と同じ一定値となる。結局光強度変調は行われず、光周波数変調のみが行われることとなる。

さて、制御系を含む実施例の全体を図１で説明する。図２で説明したように、ＶＣＳＥＬを用いた光周波数変調器は、可変利得アンプ１、バイアスティー２、定電流源３、ＶＣＳＥＬ４で構成される。定電流源３は図３（ａ）に示されるバイアス点（最大光出力となる電流）のバイアス電流ＩｂをＶＣＳＥＬ４に供給する。また、可変利得アンプ１は、ＶＣＳＥＬ４から出力されるレーザ光Ｌが適当な周波数偏移をもつように、入力データ信号ｄを増幅し、増幅した信号電流ｉｄをＶＳＥＬ４に供給する。バイアスティー２の役目は、定電流源３の直流成分（バイアス電流Ｉｂ）と可変利得アンプ１の交流成分（信号電流ｉｄ）を重畳してＶＣＳＥＬ４に供給することである。

次にＶＣＳＥＬ４から定電流源３と可変利得アンプ１への周波数偏移制御回路を説明する。ＶＣＳＥＬ４から出力されるレーザ光Ｌは、光分岐器５で３つに分波され、外部への出力光となるレーザ光Ｌｏと、バイアス制御に利用されるレーザ光Ｌ１と、利得制御に利用されるレーザ光Ｌ２とに分波される。レーザ光Ｌ１はバイアス制御回路６に入力され、レーザ光Ｌ２は周波数偏移制御回路１０に入力される。

バイアス制御回路６は以下のような制御を行う。図３（ａ）から自明なように、最適なバイアス点は常に、ＶＣＳＥＬ４から出力されるレーザ光Ｌの光強度を最大に保つ電流である。よって、バイアス制御回路６は、出力されたレーザ光Ｌの一部（レーザ光Ｌを分岐したレーザ光Ｌ１）をモニターしながら、レーザ光Ｌ１の光強度を最大値に維持するように、定電流源３から出力するバイアス電流Ｉｂの値を常に微調整して、ＶＣＳＥＬ４のバイアス点を常に微調整する。

さらに、周波数偏移制御回路１０は以下のような制御を行う。
ＭＺ干渉フィルタ７は本実施例で採用した周波数偏移１０ＧＨｚに相当するフィルタであり、２つの出力ポート７ａ，７ｂでは１０ＧＨｚごとに出力が最強となる。したがってこのＭＺ干渉フィルタ７の一方のポート７ａからは、ＶＣＳＥＬ４に入力する電流の値がバイアス点よりも小さな０レベルの電流値になりレーザ光Ｌの周波数がｆ０（周波数偏移のうちの高周波側の周波数）となったときに、第１の光信号Ｌ２ａが出力される。ＭＺ干渉フィルタ７の他方のポート７ｂからは、ＶＣＳＥＬ４に入力する電流の値がバイアス点よりも大きな１レベルの電流値になりレーザ光Ｌの周波数がｆ１（周波数偏移のうちの低周波側の周波数）となったときに、第２の光信号Ｌ２ｂが出力される。なお、高周波側の周波数ｆ０と低周波側の周波数ｆ１との差は、１０ＧＨｚである。

ＭＺ干渉フィルタ７から出力された２本の光信号Ｌ２ａ，Ｌ２ｂは、続いて光差動受信器８へと導かれ、光差動受信器８にて復調される。

可変利得アンプ１の利得を適切に設定し、０レベルと１レベルに相当する電流を適切に設定すれば、周波数偏移がちょうど１０ＧＨｚになる。
これを実現するために、光差動受信器８で復調された信号の振幅が最大になるように（光信号Ｌ２ａを復調した第１の復調信号の振幅と、光信号Ｌ２ｂを復調した第２の復調信号の振幅が共に最大になるように）、利得制御回路９により可変利得アンプ１の利得を調整する。このようにして利得制御回路９により可変利得アンプ１の利得調整をすること、即ち、周波数偏移制御回路１０により、レーザ光Ｌ２を監視して、周波数偏移のうちの高周波側の周波数のときのレーザ光強度も、周波数偏移のうちの低周波側の周波数のときのレーザ光強度も、共に最大になるように、可変利得アンプ１の利得制御をするフィードバック制御をすることにより、周波数偏移は１０ＧＨｚとなる。

このようにして、フィードバックループが定常化した後には、実施例の光周波数変調器は、全く強度変調成分を含まない純粋な周波数変調を実現する。したがって、本実施例の光周波数変調器の可変利得アンプ４にデータ信号ｄが入力されると、このデータ信号ｄの状態偏移に応じて、出力されるレーザ光Ｌｏの実際の周波数偏移が、予め決めた周波数偏移内で変化する純粋な（つまり光強度変調は行わない）光周波数変調を実現することができる。

実施例にあっては、ＶＣＳＥＬ４として１．５５μｍ帯ＶＣＳＥＬを、ＭＺ干渉フィルタ７として平面光回路型ＭＺ干渉系（周波数偏移１０ＧＨｚ）を用いた。その結果、実施例は非常に安定した光周波数変調器として動作し、シングルモードファイバ（長さ４０ｋｍ）を伝送した後に復調したところ、エラーの少ない満足な伝送特性が確認された。

本発明の実施例を示す構成図である。 本発明の実施例の原理構成の要部を示す構成図である。 本発明の実施例の作動状態を示す動作説明図である。 従来例を示す構成図である。 従来例の作動状態を示す動作説明図である。

符号の説明

１ 可変利得アンプ
２ バイアスティー
３ 定電流源
４ 垂直共振器型面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）
５ 光分岐器
６ バイアス制御回路
７ マッハツェンダ干渉計フィルタ
７ａ，７ｂ 出力ポート
８ 光差動受信器
９ 増幅制御回路
１０ 周波数偏移制御回路
１１ アンプ
１２ バイアスティー
１３ 定電流源
１４ レーザダイオード
ｄ データ信号
ｉｄ 信号電流
Ｉｂ バイアス電流
Ｌ，Ｌｏ，Ｌ１，Ｌ２ レーザ光
Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ 光信号

Claims (2)

1. データ信号が入力されると、前記データ信号の状態偏移に応じて、出力するレーザ光の周波数を予め決めた所定の周波数偏移内で変化させる光周波数変調器であって、
   入力する電流値を増加していった場合に、出力するレーザ光の光周波数は減少するが、出力するレーザ光の光強度は一旦増加した後に減少する特性となっている垂直共振器型面発光レーザダイオードと、
   前記垂直共振器型面発光レーザダイオードにバイアス電流を印加する定電流源と、
   前記垂直共振器型面発光レーザダイオードに、データ信号を増幅してなる信号電流を印加する可変利得増幅器と、
   前記垂直共振器型面発光レーザダイオードから出力されるレーザ光の光出力を最大とするように、前記定電流源から出力するバイアス電流の値を制御するバイアス制御回路と、
   前記垂直共振器型面発光レーザダイオードから出力されるレーザ光の実際の周波数偏移が、予め決めた所定の周波数偏移に一致するように、前記可変利得増幅器の利得を制御する周波数偏移制御回路と、
   を具備することを特徴とする光周波数変調器。
2. 請求項１に記載の光周波数変調器において、
   前記周波数偏移制御回路は、
   前記垂直共振器型面発光レーザダイオードから出力されるレーザ光が入力され、入力されたレーザ光の周波数が、予め決めた所定の周波数偏移の高周波側の周波数になったときに第１の光信号を出力し、入力されたレーザ光の周波数が、予め決めた所定の周波数偏移の低周波側の周波数になったときに第２の光信号を出力するフィルタ特性を有する光波長フィルタと、
   前記光波長フィルタから出力された第１の光信号と第２の光信号をそれぞれ復調して第１の復調信号と第２の復調信号を得る光差動受信器と、
   前記光差動受信器で復調した第１の復調信号の振幅と第２の復調信号の振幅が共に最大となるように、前記可変差動アンプの利得を調整する利得制御回路と、
   を具備することを特徴とする光周波数変調器。
   

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