JP2010130116A - 通信制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳＯＡにおける波形歪みを抑制することができる通信制御装置を提供する。
【解決手段】 通信制御装置（５０）は、光入力部（１０）と、受光素子（４０）と、前記光入力部（１０）と前記受光素子（４０）との間に配置された半導体光増幅素子（２１）と、を備える通信装置に対し、前記半導体光増幅素子（２１）自身の入力光強度と出力光強度とが実質的に同じになる透過モード制御電流を供給する。この通信制御装置（５０）を用いることによって、光信号の波形歪みを抑制することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通信制御装置に関する。

入力光の振幅が異なった場合にも対応することが可能な通信系（例えば、ＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ））では、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）が用いられる。この通信系では、振幅の小さな入力光がＳＯＡに入力された場合、ＳＯＡはこの入力光を所定量だけ増幅して、光／電気信号変換のための受光素子に入力する。

ＳＯＡが不要な程度に入力光の強度が大きい場合には、受光素子の感度が飽和しない程度まで、ＳＯＡの増幅度を絞ることが考えられる。しかしながら、本発明者は、増幅度が与えられたＳＯＡから出力される信号光の信号波形が歪んでしまうことを見出した。

すなわち、ＳＯＡへの入力光の強度が不要な程度に大きい場合には、本来なら必要のないＳＯＡへの光入力により、波形歪みを受けるという弊害を生じてしまうといえる。もちろん、そのような場合には、ＳＯＡをバイパスして受光素子に直接に入力光を結合する方法が考えられる。しかしながら、ＳＯＡをバイパスするためには、光経路スイッチなどの要素が必要であり、現実的ではない。

本発明の目的は、ＳＯＡにおける波形歪みを抑制することができる通信制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る通信制御装置は、光入力部と、受光素子と、前記光入力部と前記受光素子との間に配置された半導体光増幅素子と、を備える通信装置に対し、前記半導体光増幅素子自身の入力光強度と出力光強度とが実質的に同じになる透過モード制御電流を供給することを特徴とするものである。本発明に係る通信制御装置においては、光信号の波形歪みを抑制することができる。

また、前記透過モード制御電流が前記半導体光増幅素子に注入された状態において、前記光入力部に入力された光信号が、前記受光素子までの間に損失を受ける状態とすることができる。

また、前記損失は、前記光入力部と前記受光素子との間に存在する光結合損失とすることができる。

また、透過モード制御電流を、前記光結合損失を補償する増幅ゲインを実現するための制御電流よりも小さくすることが、光信号の波形歪みを抑制するために有効である。

また、半導体光増幅素子自身の入出力強度比は、−０．５ｄＢ〜０．５ｄＢで選択することができる。

また、通信制御装置は、半導体光増幅素子に所定の増幅ゲインを与えて、入力光を増幅する第１制御と、前記透過モード制御電流を与える第２制御と、を選択的に行ってもよい。この場合、入力光強度が小さい場合には、それを増幅することができる。

なお、半導体光増幅素子は、一対の半導体クラッド層によって半導体活性層が挟まれた構造とすることができる。

本発明によれば、ＳＯＡに入力される入力光の波形歪みを抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１〜図３を参照しつつ、第１の実施の形態に係る通信制御装置５０が適用される通信システム１００について説明する。図１は、通信システム１００の全体構成を示すブロック図である。図２は、後述する半導体光増幅モジュール２０の詳細を示す模式図である。図３は、後述する半導体光増幅素子２１の模式的断面図である。

図１に示すように、通信システム１００は、ビームスプリッタ１０、半導体光増幅モジュール２０、受光素子３０、受光素子４０および通信制御装置５０を備える。ビームスプリッタ１０は、通信システム１００に入力される光信号を２分岐する。一方の分岐光は、半導体光増幅モジュール２０に入力される。他方の分岐光は、受光素子３０に入力される。受光素子３０は、分岐光の光強度を検出し、その結果を通信制御装置５０に与える。

通信制御装置５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される制御部を備える。通信制御装置５０は、受光素子３０の検出結果に基づいて、半導体光増幅モジュール２０を制御する。それにより、半導体光増幅モジュール２０からの出力光強度が制御される。半導体光増幅モジュール２０からの出力光は、受光素子４０によって受光される。

図２に示すように、半導体光増幅モジュール２０は、例えば、半導体光増幅素子２１がパッケージ２２内に収納された構造を有する。また、パッケージ２２には、ビームスプリッタ１０からの光信号が通過する光ファイバ２３が挿入されている。光ファイバ２３は、半導体光増幅素子２１の入力側と光結合する。また、パッケージ２２には、受光素子４０と光結合する光ファイバ２４が挿入されている。光ファイバ２４は、半導体光増幅素子２１の出力側と光結合する。なお、光ファイバ２３，２４と半導体光増幅素子２１との間に、レンズ等の光学部品が配置されていてもよい。

図３（ａ）に示すように、半導体光増幅素子２１は、例えば、基板６１上に、クラッド層６２、活性層６３、クラッド層６４が積層された構造を有する。基板６１は、Ｎ型ＩｎＰからなる。クラッド層６２は、Ｎ型ＩｎＰからなる。活性層６３は、ＩｎＧａＡｓＰからなる。図３（ｂ）に示すように、活性層６３は、例えば、１００ｎｍの高さを有し、２μｍの幅を有し、９００μｍの長さを有する。クラッド層６４は、Ｐ型ＩｎＰからなる。

活性層６３およびクラッド層６４は、クラッド層６２の幅よりも小さい幅を有し、ストライプ状に伸びるメサ構造を有する。クラッド層６２上において活性層６３およびクラッド層６４の両側には、高抵抗埋込層６５が配置されている。高抵抗埋込層６５は、ＦｅドープＩｎＰからなる。基板６１の下面には、Ｎ側電極６６が配置されている。クラッド層６４の上面には、Ｐ側電極６７が配置されている。

続いて、半導体光増幅素子２１における光増幅について説明する。図４は、半導体光増幅素子２１における光増幅を説明するための模式図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、半導体光増幅素子２１において光が増幅される場合について説明するための模式図である。半導体光増幅素子２１に供給される駆動電流（以下、ＳＯＡ電流と称する。）が多い場合、エネルギの高い準位に電子が多くなる。この場合、光との相互作用によって電子が下位の空き準位に遷移し、この２つの準位差に相当するエネルギが光として放出される。それにより、光が増幅される。

入力光の強度が大きいほど、光と電子との相互作用も強くなる。この場合、上位の準位への電子の供給が上位準位から下位準位への遷移に間に合わない場合も起こりうる。この場合には、光の増幅が飽和する。強い光のパルスが入力された場合、パルスの最初の部分では上位の準位に電子が十分存在するため、光の増幅が大きくなる。しかしながら、時間の経過とともに、上位準位への電子の供給が間に合わず、増幅率が減少する。この場合、出力光の光パルスが歪んでしまい、立ち上がりがオーバーシュートする。この現象は、ＳＯＡ電流が小さいほどまたは入力光強度が大きいほど、顕著になる。この現象は、強い入力パルス光を歪ませずに減衰させたい場合の課題である。

なお、図４（ａ）および図４（ｂ）では模式的に上位準位の電子がなくなるように図が描かれているが、実際にはＳＯＡ電流によって常に上位準位の電子が供給されている。ただし、光強度が大きくなると、上位準位への電子の供給が上位準位から下位準位への遷移に間に合わない場合も起こる。この場合には、光の増幅が飽和する。

図４（ｃ）および図４（ｄ）は、半導体光増幅素子２１において光が減衰される場合について説明するための模式図である。ＳＯＡ電流が少ないと、エネルギの低い準位に電子が多くなる。この場合、電子は、光との相互作用によって光からエネルギを吸収しながら上位の空き準位へ遷移する。それにより、光は減衰する。

強い光パルスが入力された場合、パルスの初期においては下位準位の電子数が十分に存在するため、光の吸収率が高くなる。しかしながら、時間が経過すると、光の吸収によって上位の準位へ遷移した電子数が増えて光の吸収率が低くなる。この場合、光パルスの後半では、吸収率が減少して透明化現象が起きる。それにより、光パルスが歪んでしまい、立ち上がりがなまる。

図４（ｅ）および図４（ｆ）は、半導体光増幅素子２１において光の増幅も減衰もしない場合について説明するための模式図である。ここで、光の吸収および放出は、エネルギの低い準位と高い準位との電子数の多寡に応じて決定される。光の吸収および放出が釣り合うような電子数の場合、入力光は増幅も減衰もせず、通り抜ける。この場合、各々の準位の電子数も変わらない。それにより、光は、光強度に依存せずに半導体光増幅素子２１を通過する。

本実施の形態においては、半導体光増幅素子２１への入力光が強い場合には、通信制御装置５０は、図４（ｅ）および図４（ｆ）のような駆動電流を半導体光増幅素子２１に供給する。この場合、半導体光増幅素子２１の駆動波形の歪みを抑制することができる。

図５は、通信制御装置５０による半導体光増幅素子２１の制御の一例を示すフローチャートである。図５に示すように、通信制御装置５０は、受光素子３０から検知結果を受け取る（ステップＳ１）。次に、通信制御装置５０は、受光素子３０によって受光された光の強度がしきい値を上回るか否かを判定する（ステップＳ２）。

ステップＳ２において光の強度がしきい値を上回ると判定された場合、通信制御装置５０は、半導体光増幅素子２１との結合ロスを補償する増幅ゲインよりも小さくかつ結合ロスを除いた半導体光増幅素子２１の入力光強度と出力光強度とが実質的に同じになる駆動電流を半導体光増幅素子２１に供給する（ステップＳ３）。その後、通信制御装置５０は、フローチャートの実行を終了する。

なお、ステップＳ２において光の強度がしきい値を上回ると判定されなかった場合、通信制御装置５０は、所定の増幅率を実現する駆動電流を半導体光増幅素子２１に供給する（ステップＳ４）。その後、通信制御装置５０は、フローチャートの実行を終了する。

図５のフローチャートによれば、半導体光増幅素子へ駆動電流を供給しつつ半導体光増幅素子の駆動波形の歪みを抑制することができる

実施例においては、上記実施の形態に係る通信システム１００を用いて光増幅を行った。半導体光増幅素子２１の構造は、図３で説明したものと同様である。図６は、ＳＯＡ電流（ｍＡ）と出力光強度と出力光強度／入力光強度との関係を示す図である。図６において、横軸は出力光強度（ｄＢｍ）を示し、縦軸は出力光強度／入力光強度（ｄＢ）を示す。なお、出力光強度および入力光強度はファイバ端における値であり、出力光強度／入力光強度（ｄＢ）には半導体光増幅素子２１との結合ロスが含まれている。

図６に示すように、ＳＯＡ電流が大きいと出力光強度／入力光強度（ｄＢ）が大きくなり、また、ＳＯＡ電流が小さいと出力光強度／入力光強度（ｄＢ）が小さくなった。一方で、ＳＯＡ電流が２０ｍＡである場合には、出力光強度が大きくなっても出力光強度／入力光強度はあまり変化しなかった。この場合においては、半導体光増幅素子２１は、透明化している。なお、この場合において出力光強度／入力光強度（ｄＢ）が負の値を示すのは、半導体光増幅素子２１と光ファイバ２３，２４と間に結合ロスが生じるからである。

以下、図７〜図９を参照しつつ、ＳＯＡ電流と半導体光増幅素子２１から出力される変調波形との関係について説明する。まず、図７（ａ）に、入力光の波形の一例を示す。図７（ａ）においては、入力光の波形にほとんど歪みが見られない。

図７（ｂ）は、ＳＯＡ電流を多くして、小さい強度の入力光を増幅した場合の変調波形を示す。図７（ｂ）では、入力光の平均光強度が−２０．６２ｄＢｍであり、ＳＯＡ電流が３００ｍＡであり、出力光の平均光強度が１．７５ｄＢｍである場合が示されている。この場合においては、ＳＯＡ電流が大きいことから、変調波形における歪みが抑制されたと考えられる。

これに対して、図８においては、大きい強度の入力光に対して、入力側の光ファイバを通過する光強度と出力側の光ファイバを通過する光強度とがほぼ同一になった場合の変調波形を示す。図８では、入力光の平均強度が０ｄＢｍであり、ＳＯＡ電流が３０ｍＡであり、出力光の平均強度が０ｄＢｍである場合が示されている。この場合においては、ＳＯＡ電流を、結合ロスを補償する程度に調整した。

この場合、パルスの最初の部分では上位の準位に電子が十分に存在するため、光の増幅率が高くなる。時間の経過とともに上位準位への電子の供給が間に合わず、増幅率が減少する。それにより、図８に示すように、出力光の光パルスが歪んでしまい、立ち上がりがオーバーシュートした。

これに対して、図９は、ＳＯＡ電流を所定の値に制御しつつ、大きい強度の入力光の強度を減衰させた場合の変調波形を示す。これは、ＳＯＡ電流２０ｍＡ、入力光平均強度９．３ｄＢｍ、出力光平均強度３．５ｄＢｍである場合が示されている。図９においては、半導体光増幅素子２１との結合ロスを補償する増幅ゲインよりも小さくかつ結合ロスを除いた半導体光増幅素子２１の入力光強度と出力光強度とが実質的に同じになる電流を半導体光増幅素子２１に供給した。図９に示すように、半導体光増幅素子２１の出力波形における歪みが抑制された。これは、半導体光増幅素子２１が実質的に透明化することから、光パルスの歪みが抑制されたからであると考えられる。

なお、良好な通信状態を得るためには、図８に示したようなオーバーシュートによる変調波形の変形を１０％以下に抑制することが望まれる。そのためには、図６における出力光強度と入力光強度との比における許容範囲が、−０．５ｄＢ〜０．５ｄＢ以内に収めることが有用である。この場合、半導体光増幅素子２１への出力光強度と入力光強度との比が０ｄＢになるように設定するので、−０．５ｄＢ〜０．５ｄＢの範囲内になるように半導体光増幅素子２１の電流を制御すればよい。

以上のように、入力光強度が大きい場合に半導体光増幅素子２１を実質的に透明化させることによって、光パルスの歪みを抑制することができることが確認された。

通信システムの全体構成を示すブロック図である。 半導体光増幅モジュールの詳細を示す模式図である。 半導体光増幅素子の模式的断面図である。 半導体光増幅素子における光増幅を説明するための模式図である。 通信制御装置による半導体光増幅素子の制御の一例を示すフローチャートである。 ＳＯＡ電流と出力光強度と出力光強度／入力光強度との関係を示す図である。 ＳＯＡ電流と入力光波形との関係について説明するための図である。 ＳＯＡ電流と入力光波形との関係について説明するための図である。 ＳＯＡ電流と入力光波形との関係について説明するための図である。

符号の説明

１０ ビームスプリッタ
２０ 半導体光増幅モジュール
２１ 半導体光増幅素子
２２ パッケージ
２３，２４ 光ファイバ
３０，４０ 受光素子
５０ 通信制御装置
１００ 通信システム

Claims (7)

1. 光入力部と、受光素子と、前記光入力部と前記受光素子との間に配置された半導体光増幅素子と、を備える通信装置に対し、前記半導体光増幅素子自身の入力光強度と出力光強度とが実質的に同じになる透過モード制御電流を供給することを特徴とする通信制御装置。
2. 前記透過モード制御電流が前記半導体光増幅素子に注入された状態において、前記光入力部に入力された光信号が、前記受光素子までの間に損失を受けることを特徴とする請求項１記載の通信制御装置。
3. 前記損失は、前記光入力部と前記受光素子との間に存在する光結合損失であることを特徴とする請求項２記載の通信制御装置。
4. 前記透過モード制御電流は、前記光結合損失を補償する増幅ゲインを実現するための制御電流よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の通信制御装置。
5. 前記半導体光増幅素子自身の入出力強度比は、−０．５ｄＢ〜０．５ｄＢであることを特徴とする請求項１記載の通信制御装置。
6. 前記通信制御装置は、半導体光増幅素子に所定の増幅ゲインを与えて、入力光を増幅する第１制御と、前記透過モード制御電流を与える第２制御と、を選択的に行うことを特徴とする請求項１記載の通信制御装置。
7. 前記半導体光増幅素子は、一対の半導体クラッド層によって半導体活性層が挟まれた構造を有することを特徴とする請求項１記載の通信制御装置。

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