JP2010287915A - 光送信装置、光通信装置および光送信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザの直接変調には、発振に寄与する活性層の利得の非線形性、すなわち非線形利得に起因して、変調が可能なビットレートは４０Ｇｂ／ｓが限界であった。よって、４０Ｇｂ／ｓ以上のビットレートではＬＮ光変調器が用いられ、光送信装置または光通信装置の小型化、低消費電力化および低コスト化が困難であった。
【解決手段】信号スペクトル帯域をビットレートの１／４に制限した３値周波数遷移変調光を出力する半導体レーザ１５と、３値周波数遷移変調光を２値振幅変調光に変換するバンドパス型光フィルタ１６との組合わせによって、帯域が３０ＧＨｚ〜４０ＧＨｚの半導体レーザ１５を用いてビットレートが１００Ｇｂ／ｓの光信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信技術に関し、特に、光送信装置、光通信装置および光送信方法の高速大容量化技術に関する。

近年、ブロードバンド接続の普及、およびアクセス手段やサービスの多様化等により、トラフィックが急速に増加しつつある。これに対応するために、光信号を波長領域で多重化して伝送する波長多重（ＷＤＭ）光伝送技術が実用化され、あわせて各波長チャネルについて光信号を時間領域で多重化して伝送する超高速時間多重（ＴＤＭ）光伝送技術の開発が進められてきた。そして、現在までに、一波長あたりのビットレートが４０Ｇｂ／ｓの光伝送技術が実用化されている。

一方、１００Ｇｂ／ｓイーサネット（登録商標）への関心の高まりから、１波長当りのビットレートをさらに上げるための検討も始まっている。その中の一つが４値の差分位相シフト変調（ＤＱＰＳＫ）光伝送方式である。最近では、例えば、シンボルレート５３．５Ｇｂ／ｓのＤＱＰＳＫ光信号を中継ノードを含めて１２００ｋｍ伝送した実験が報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。

ＤＱＰＳＫ光伝送方式は、電子回路の動作速度を上げることなくファイバの伝送能力を２倍に増やすことができる優れた伝送方式であるが、その反面、光送信装置が大掛かりな構成になるという問題がある。すなわち、４値の位相シフトを与えるためにはニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板を材料とする光変調器を複数個用いる必要があるが、各々の光変調器の素子長が数ｃｍを超える。また、光変調器の駆動電力として各々数１００ｍＷが必要である。その結果、光送信装置の装置容積の相当部分を光変調器が占め、消費電力の相当の割合を光変調器の駆動に費やすことになっていた。光変調器の装置容積が大きいこと、および光変調器の消費電力が大きいことが、光送信装置または光通信装置の小型化および低消費電力化を困難にしていた。

半導体レーザは、ＬＮ光変調器に比べて、素子長は数１００μｍ以下であり、また消費電力も数１０ｍＷ以下と桁違いに小さい。従って、半導体レーザの駆動電流を変調する直接変調方式を用いれば、光送信装置または光通信装置の小型お化よび低消費電力化を実現することが可能になる。

しかし、半導体レーザを直接変調することができるビットレートには限界がある。ビットレートの限界は、半導体レーザの発振に寄与する活性層の利得の非線形性、すなわち非線形利得に起因する。非線形利得は、バンド内緩和時間が有限であることからレーザ発振に寄与できる反転分布数が局所的に枯渇する現象である。非線形利得は、材料自体の物性に基づく本質的なものであり改良することは困難である。従って、半導体レーザの直接変調はビットレート４０Ｇｂ／ｓが限界であり（例えば、非特許文献２参照。）、ビットレート１００Ｇｂ／ｓの直接変調は不可能とされてきた。

一方、高密度波長多重された光信号をより長距離のファイバを伝送するための光変調方式の一つとして光デュオバイナリ変調方式が開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３参照。）。光デュオバイナリ変調方式は、変調光信号のスペクトル幅が狭いことから分散耐力に優れ、かつ、高密度波長多重が可能であるといった特徴を有する。また、主としてビットレート１０Ｇｂ／ｓを中心に波長多重光信号を長距離ファイバ伝送に用いるための光変調方式として考案された方式である。

そして、特許文献１には、光デュオバイナリ変調方式において問題になるＬＮ光変調器の動作点のドリフト現象を解決するための制御方法が開示されている。また、特許文献２には、高密度波長多重伝送において波長間隔を一定に制御するための方法が開示されている。さらに、特許文献３には、ＦＳＫ伝送において半導体レーザの熱チャープによる低域周波数遮断の問題を解決する方法および光フィルタによって３値周波数シフト光信号を２値振幅変調信号に変換する方法が開示されている。

特開２０００−１６２５６３号公報（段落００１１，００２１〜００２３） 特開平８−３３１１００号公報（段落００１１〜００１７） 特開２０００−３１２１８４号公報（段落００１３〜００１５） オプティカル・ファイバー・コミュニケーション・コンファレンス ２００７、 ポスト・デッドライン・ペーパー、 ＰＤＰ２４（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００７， ｐｏｓｔ ｄｅａｄｌｉｎｅ ｐａｐｅｒ， ＰＤＰ２４） アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー誌、第２３巻、３７９０−３７９７頁（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｖｏｌ．２３， ｐ．３７９０−３７９７）

帯域が制限された３値のデュオバイナリ符号を用いて半導体レーザを直接変調すると出力光信号は３値の光信号となるので、通常の受信器で受信および復号するために光の領域で３値から２値へ符号変換する必要がある。例えば、図１４は、特許文献３に示された光送信装置の構成を示す構成図である。図１４に示す光送信装置では、符号器２０１が２進入力信号を３値の信号に変換する。符号器２０１の出力によって半導体レーザ２０２は直接変調を受ける。そして、光フィルタ（干渉フィルタ）２０３によって半導体レーザ２０２からの３値周波数シフト変調光が２値振幅変調光に変換される。

この場合、光フィルタにより２値の振幅変調光として生成される光信号の時間波形とスペクトル幅については常にフーリエ変換の関係が成立する必要がある。従って、ファイバ伝送が可能な高品質の光信号を得るためには、３値周波数シフト変調光の周波数シフト量と光フィルタの帯域とが、ベースバンド信号のビットレートとの間でフーリエ変換限界の条件を満たす一定の関係を同時に満たさなければならない。このことは、４０Ｇｂ／ｓ以上の超高速光信号を生成しファイバ伝送する場合において特に重要になる。

しかし、特許文献１、特許文献２および特許文献３のいずれにもこの点に関して開示されていない。例えば、特許文献３の実施例における信号速度は１波長あたり２．５Ｇｂ／ｓ程度と半導体レーザで十分に直接変調がかけられる信号速度である。従って、通常の動作条件で上記のフーリエ変換限界が問題となることはなく、搬送波周波数間隔および光フィルタの帯域幅のビットレートとの関係において満たすべき条件については開示されていない。

本発明は、半導体レーザの動作限界速度を超える速度で直接変調する技術を提供することを目的とする。具体的には、半導体レーザの活性層の材料や素子の構造の最適化といった従来のアプローチとは異なり、光変調方式の工夫により半導体レーザの変調帯域を超えるビットレートの光信号を生成しファイバ伝送することを可能にする。そして、半導体レーザを用いた小型かつ消費電力が小さい光送信装置、光通信装置および光送信方法を提供することを目的とする。

本発明による光送信装置は、ビットレートの１／４に帯域を制限したベースバンド信号を用いて駆動電流を変調することにより３値周波数遷移変調光を生成する半導体レーザと、３値周波数偏移変調光から真中の周波数の搬送波のみを透過させて２値振幅変調光に変換し光ファイバへ出力するバンドパス型光フィルタとを有し、３値周波数遷移変調光の搬送波の周波数の間隔とバンドパス型光フィルタの透過帯域幅とがビットレートの１／２よりも大きいことを特徴とする。

本発明による光送信方法は、ビットレートの１／４に帯域を制限したベースバンド信号を用いて駆動電流を変調することにより半導体レーザから３値周波数遷移変調光を生成し、３値周波数偏移変調光からバンドパス型光フィルタを用いて真中の周波数の搬送波のみを透過させ２値振幅変調光に変換して光ファイバへ出力し、３値周波数遷移変調光の搬送波の周波数の間隔とバンドパス型光フィルタの透過帯域幅とがビットレートの１／２よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、半導体レーザの動作限界速度を超える速度で直接変調することができる光送信装置、光通信装置および光送信方法を得ることができる。その結果、半導体レーザを用いた小型かつ消費電力が小さい光送信装置、光通信装置および光送信方法が提供される。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の概要を示すブロック図である。図１に示すように、本発明による光送信装置１は、３値周波数遷移変調光１５０を生成する半導体レーザ１５と、３値周波数偏移変調光１５０から真中の周波数の搬送波のみを透過させて２値振幅変調光１６０に変換して光ファイバ（ファイバ伝送路）３０に出力するバンドパス型光フィルタ１６とを備えている。半導体レーザ１５の駆動電流１４０は、ビットレートの１／４に帯域が制限されたベースバンド信号を用いて変調される。そして、３値周波数遷移変調光の搬送波の周波数の間隔をビットレートの１／２よりも大きくし、バンドパス型光フィルタの透過帯域幅をビットレートの１／２よりも大きくする。

実施形態１．
図２は、本発明の第１の実施形態の光通信装置の構成を示すブロック図である。図２に示す光通信装置は、光送信装置１０と光受信装置２０とファイバ伝送路３０とで構成される。

光送信装置１０は、データ信号発生源１１、プリコーダ１２、ローパス型電気フィルタ（ＬＰＦ）１３、駆動回路１４、半導体レーザ１５およびバンドパス型光フィルタ１６を有し、データ信号発生源１１からのビットレート１００Ｇｂ／ｓのデータ信号でコード化された振幅変調光１７を出力する。第１の実施形態において、波長１．５μｍ帯で伝送容量１００Ｇｂ／ｓの信号をファイバ伝送することができる。

プリコーダ１２は、１００Ｇｂ／ｓで動作する電子回路で、排他的論理和演算を行う論理回路１２１と１ビット遅延回路１３２とで構成され、１ビット前の符号との排他的論理和をとる。

プリコーダ１２から出力された１００Ｇｂ／ｓ電気信号は、ローパス型電気フィルタ１３を経て駆動回路１４に入力される。駆動回路１４から出力される変調電流１４１により半導体レーザ１５は直接変調される。ここで、ローパス型電気フィルタ１３の透過帯域特性、駆動回路１４の応答特性、および半導体レーザ１５の変調特性の３つの周波数特性は重畳され、全体として１００Ｇｂ／ｓ電気信号の帯域をその１／４である２５ＧＨｚに制限する。

帯域制限によって、半導体レーザ１５から出力される半導体レーザ出力光信号１５１は、ベースバンド信号の帯域をビットレートの１／４に制限した３値の周波数遷移変調光になる。半導体レーザ出力光信号１５１は、バンドパス型光フィルタ１６で２値振幅変調光へ変換され、データ信号発生源１１からの１００Ｇｂ／ｓのデータ信号でコード化された振幅変調光１７として光送信装置１０から出力される。

図３は、半導体レーザ１５を駆動する２ビット系列で表された２値データ信号と、半導体レーザ１５から出力される３値の搬送波周波数で表される信号空間との関係を示したものである。２値データ信号０、１、０が、搬送波周波数の低い方から高い方へｆ_１からｆ_３の順番にマッピングされている。

帯域を１／４に制限することが「１ビット遅延と３値の和演算」と等価であることから、バンドパス型光フィルタ１６を用いて真中の搬送波周波数ｆ_２の“１”（マーク）を切り出すことは排他的論理和の処理をしたことになり、プリコーダと組合わせることにより元の１００Ｇｂ／ｓのデータ信号に戻る。

半導体レーザ１５には直流バイアス回路（図示せず）によって発振閾値より上の直流電流が加えられる。半導体レーザ１５は、直流電流に重畳して印加される変調電流１４１によって小信号変調される。

半導体レーザ１５として、市販の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を使用することができる。ただし、微分利得定数を、多層の量子井戸活性層または歪量子井戸構造活性層、さらに分布帰還型半導体レーザの周期構造で決まる発振波長の最適化との組合わせにより実現できる範囲内で大きくし、共振器長を１５０μｍ程度以下に短くする必要がある。また、半導体レーザ１５の寄生容量を低減する観点から高抵抗半導体や絶縁物で活性導波路を埋め込んだ構造も有効である。半導体レーザ１５に効率よく周波数変調をかけるために、線幅増大係数（αパラメータ）や非線形利得係数が大きい程有利である。

第１の実施形態において、半導体レーザ１５として用いる分布帰還型半導体レーザの動作を単一モードのレート方程式で近似し、スプリット・ステップ・フーリエ法で解析した計算結果を示す。

ここで、レート方程式のパラメータとして、半導体レーザ１５の共振器長を１００μｍ、端面反射率を０．３、活性層幅を１．５μｍ、活性層厚を０．０５μｍ、光閉じ込め係数を０．１、αパラメータを３、微分利得係数を１．５×１０^−１９ｍ^２、非線形利得係数を６×１０^−２３ｍ^３とする。ただし、これらの半導体レーザ１５のパラメータの値は設計例の一つであり、通常の多層の量子井戸または歪量子井戸構造を活性層とした分布帰還型半導体レーザとして実現することのできる範囲内で、この例に示した値以外の値を用いて、光送信装置、光通信装置の仕様、またはローパス型電気フィルタ１３、駆動回路１４、バンドパス型光フィルタ１６の特性に合わせて最適に設計することができる。

また、第１の実施形態では、ローパス型電気フィルタ１３として、遮断周波数が３０ＧＨｚの５次のベッセル・フィルタ、バンドパス型光フィルタ１６として、−３ｄＢ透過帯域幅が９０ＧＨｚで中心波長に対して対称の透過スペクトル形状を有する２次のガウス型光フィルタが用いられている。駆動回路１４の帯域特性は理想的なものとしている。

図４は、半導体レーザ１５を駆動する変調電流１４１のアイパターン波形を示す波形図である。第１の実施形態では、直流バイアス回路によって印加される直流電流の値を１５０ミリアンペアとし、変調電流１４１の振幅を１５０ミリアンペアとすることによって、図３に示すｆ_１、ｆ_２、ｆ_３に対応する３値の半導体レーザ１５の駆動電流値を得ている。

ｆ_１に対応する駆動電流値１５０ミリアンペアは半導体レーザ１５の直流バイアスの電流値であり、半導体レーザ１５の発振閾値電流値は１０ミリアンペア以下であることから常に発振閾値の１５倍以上の駆動電流を印加していることになる。従って、半導体レーザ１５の高周波応答特性は直流電流１５０ミリアンペアで決まる。第１の実施形態では、半導体レーザ１５の活性層体積が小さく駆動電流値が大きいため緩和振動はダンピングの効果により見かけ上消失する。しかし、半導体レーザ１５に駆動電流１５０ミリアンペアを印加した時の小信号変調帯域が約５０ＧＨｚとビットレートの１／４より大きくなるように直流電流が半導体レーザ１５に与えられるように設計されている。なお、半導体レーザ１５の構造によりダンピングの効果が小さく緩和振動が消失しない場合は、緩和振動周波数がビットレートの１／４より大きくなるように直流電流が半導体レーザ１５に与えられるように設計してもよい。

図５は、半導体レーザ１５から出力される半導体レーザ出力光信号１５１の光信号強度（図５（Ａ））と搬送波周波数（図５（Ｂ））とを固定パターン波形として示す波形図ある。半導体レーザ１５に対して３値の振幅変調と周波数偏移変調が同時にかかるが、本発明では周波数遷移変調のみを利用する。光搬送波周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３は、半導体レーザ１５の発振光周波数を基準にして、１６４、２４６、３２８ＧＨｚの３値である。光搬送波周波数ｆ_１とｆ_２の間隔と光搬送波周波数ｆ_２とｆ_３の間隔は各々８２ＧＨｚで等しく、また、ビットレートの１／２の値より大きな値となっている。

ここで、３値周波数偏移変調光の立上り時間と立下り時間とが可能な限り等しくなるように設計する必要がある。光搬送波周波数ｆ_１からｆ_３からへの遷移、またはｆ_３からｆ_１への遷移から２値振幅変調光の“１”（マーク）信号が生成される場合があるが、このときの“１”（マーク）信号の波形が、ｆ_１からｆ_３からへの遷移、またはｆ_３からｆ_１への遷移にかかる時間、すなわち、３値周波数偏移変調光の立上り時間と立下り時間とにより決まるからである。

理論上、理想的なガウス波形の光パルスについて、フーリエ変換限界を与える光パルスの時間幅とスペクトル幅との積は０．４５である。実際の光信号の波形は必ずしもガウス波形ではなく、また、時間とともに搬送波周波数が変化するチャープ特性を有するため、光パルスの時間幅とスペクトル幅との積は０．５よりも大きな値になる。ビットレートが１００Ｇｂ／ｓの場合、光信号波形の最小の時間幅は１０ｐｓｅｃであるから、光信号のスペクトル幅として、５０ＧＨｚ以上、すなわちビットレートの１／２の値より大きな値が必要である。従って、クロストークなしに３値周波数偏移変調光を生成し、伝送し、復調するには、搬送波周波数の間隔としてビットレートの１／２の値より大きな値が必要である。この実施形態では周波数間隔は８２ＧＨｚであり、この条件を満たしている。

半導体レーザ１５から出力される半導体レーザ出力光信号１５１は、バンドパス型光フィルタ１６によって、３値周波数遷移変調光信号から２値振幅変調光信号に変換される。バンドパス型光フィルタ１６は、３値周波数遷移変調光から搬送波周波数ｆ_２の光信号を切り出すバンドパス型の光フィルタである。２次のガウス型透過特性を有し、その中心周波数は半導体レーザ１５の発振光周波数を基準にして２４６ＧＨｚであり、パワー３ｄＢ低下で定義した３ｄＢ透過帯域幅は９０ＧＨｚである。なお、３次以上のガウス型透過特性を有するバンドパス型の光フィルタを用いてもよい。

バンドパス型光フィルタ１６の透過帯域幅についても、上記のフーリエ変換限界を与える光パルスの時間幅とスペクトル幅との積の関係から、ビットレートの１／２の値より大きな値が必要である。第１の実施形態ではバンドパス型光フィルタ１６の透過帯域幅９０ＧＨｚであり、この条件を満たしている。また、ｎ次（ｎ：正数）のガウス型透過特性を持つ光フィルタ（ｎ次のガウス関数で近似される透過特性を持つ光フィルタ）を用いる理由は、ガウス関数のフーリエ変換は同じくガウス関数になることから、光フィルタにより３値周波数遷移変調光信号を２値振幅変調光信号に変換した場合に、波形の歪や裾引きを最小にすることができるからである。

なお、上記のバンドパス型光フィルタ１６のパラメータの値は設計例の一つであり、リング型フィルタや干渉計型フィルタ、エタロン共振型フィルタ等、通常の光フィルタとして実現することのできる範囲内で、この例に示した値以外の値を用いて、光通信装置の仕様、または半導体レーザ１５の特性に合わせて最適に設計することができる。

上記のように、帯域を１／４に制限することが「１ビット遅延と３値の和演算」と等価であることから、搬送波周波数ｆ_２の“１”（マーク）のみを切り出すと１ビット遅延と排他的論理和の処理をしたことになり、プリコーダとあわせて元の１００Ｇｂ／ｓのデータ信号を生成することができる。すなわち、データ信号発生源１１からの１００Ｇｂ／ｓのデータ信号でコード化された振幅変調光１７として光送信装置１０から出力される。

光送信器１０から出力された２値の振幅変調光１７は、光ファイバ３０を伝搬した後、光受信器２０に入力される。ここで、光ファイバ３０は、分散値１６ｐｓｅｃ／ｎｍ／ｋｍのシングルモード・ファイバで、長さは３００ｍ〜５００ｍである。分散の補償を行っていない。光受信器２０は、１００Ｇｂ／ｓの光信号を受信することができる受光素子と電子回路とで構成されている。

図６は、光ファイバ３０の長さをゼロとした場合、すなわち、光送信装置１０から出力される振幅変調光１７の受信波形のアイパターンを示す説明図である。図６に示すように、消光比が１０ｄＢ以上の良好なアイ開口が得られ、光強度も１０ｄＢｍ以上であることがわかる。

図７は、光ファイバ３０の長さを３００ｍとした場合、すなわち、シングルモード・ファイバ３００ｍを分散補償なしで伝送した後の振幅変調光１７の受信波形のアイパターンを示す説明図である。ファイバの分散の影響によりパターン効果は大きくなっているがアイ開口の幅は変わらず、ペナルティなしで伝送できることがわかる。

図８は、シングルモード・ファイバ５００ｍを伝送した後の振幅変調光１７の受信波形のアイパターンを示す説明図である。ファイバの分散の影響によりパターン効果が顕著になりアイ開口の幅は図６に示すアイパターンに比べて約半分になるがアイは開いた状態であり、３ｄＢ程度のペナルティで伝送できることがわかる。

以上より、本発明によれば、半導体レーザを１００Ｇｂ／ｓで直接変調することができ、かつ、その出力光信号を、シングルモードファイバ３００ｍ〜５００ｍを分散補償なしで伝送することができる。よって、ＬＮ光変調器を用いることなく、小型かつ低消費電力、低価格な伝送速度が１００Ｇｂ／ｓの光送信装置または光通信装置を実現することができる。

実施形態２．
第２の実施の形態の光送信装置および光通信装置は、データ信号発生源１１からのデータ信号のビットレートを４０Ｇビットとし、波長１．５μｍ帯で光信号をファイバ伝送する光送信装置および光通信装置である。

第１の実施の形態の場合と同様に、半導体レーザ１５として、市販の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を使用することができる。ただし、微分利得定数を、多層の量子井戸活性層または歪量子井戸構造活性層、さらに発振波長の最適化との組合わせにより実現できる範囲内で大きくし、共振器長は１５０μｍ程度以下に短くした方が駆動信号振幅を減らすことができ有利である。本発明により４０Ｇビットの変調をかけるために、半導体レーザ１５の寄生容量を低減する観点からの高抵抗半導体や絶縁物による活性導波路の埋め込みといった特別な構造は不要である。なお、半導体レーザ１５に周波数変調をかけるために、線幅増大係数（αパラメータ）や非線形利得係数が大きい程有利であるが、この実施形態においても通常の値の範囲内でもよい。

第２の実施の形態において、第１の実施の形態の場合と同様に、分布帰還型半導体レーザの動作を単一モードのレート方程式で近似し、スプリット・ステップ・フーリエ法で解析した計算結果を示す。ここで、半導体レーザ１５を記述するレート方程式のパラメータは、第１の実施の形態の場合と同じ値である。なお、半導体レーザ１５のパラメータの値は設計例の一つであり、多層の量子井戸または歪量子井戸構造を活性層とした分布帰還型半導体レーザとして実現することのできる範囲内で、この例に示した値以外の値を用いて、光送信装置、光通信装置の仕様、またはローパス型電気フィルタ１３、駆動回路１４、バンドパス型光フィルタ１６の特性に合わせて最適に設計することができる。

また、図９は、第２の実施形態の光通信装置１０Ａの構成を示すブロック図であるが、第２の実施の形態の光送信装置１０Ａでは、ローパス型電気フィルタ１３Ａとして遮断周波数が１２ＧＨｚの５次のベッセル・フィルタが用いられ、バンドパス型光フィルタ１６Ａとして−３ｄＢ透過帯域幅３２ＧＨｚの２次のガウス型光フィルタが用いられている。

図１０は、図９に示す半導体レーザ１５を駆動する変調電流１４１のアイパターン波形を示す波形図である。第２の実施の形態では、直流バイアス回路によって印加される直流電流の値を１５０ミリアンペアとし、変調電流１４１の振幅を５０ミリアンペアとすることにより、図３に示されたｆ_１、ｆ_２、ｆ_３に対応する３値の駆動電流値を得ている。

図１１は、図９に示す半導体レーザ１５から出力される半導体レーザ出力光信号１５１の光信号強度（図１１（Ａ））と搬送波周波数（図１１（Ｂ））とを固定パターン波形として示す波形図である。光搬送波周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３は、半導体レーザ１５の発振光周波数を基準にして、１５６、１８６、２１６ＧＨｚの３値である。搬送波周波数の間隔は各々３０ＧＨｚで、第１の実施の形態の場合と同様に、ビットレートの１／２の値より大きな値になっている。バンドパス型光フィルタ１６の透過帯域幅についても、ビットレートの１／２の値より大きな値である条件を満たしている。

光ファイバ３０は、第１の実施の形態の場合と同様に、分散値１６ｐｓｅｃ／ｎｍ／ｋｍのシングルモード・ファイバで長さは２ｋｍである。光受信器２０は、４０Ｇｂ／ｓの光信号を受信することができる受光素子と電子回路とで構成されている。

図１２は、光ファイバ３０の長さをゼロとした場合、すなわち、光送信装置１０から出力される振幅変調光１７の受信波形のアイパターンを示す説明図である。消光比が１０ｄＢ以上の良好なアイ開口が得られ、光強度も１０ｄＢｍ以上であることがわかる。

図１３は、光ファイバ３０の長さを２ｋｍとして伝送した後の振幅変調光１７の受信波形のアイパターンを示す説明図である。ファイバの分散の影響によってパターン効果が発生しているが、アイ開口の幅は変わらず、ペナルティなしで伝送できることがわかる。

図１２および図１３に示された波形からわかるように、この実施形態によれば、４０Ｇｂ／ｓの光信号を生成し、シングルモードファイバ２ｋｍを分散補償なしで伝送することができる。しかし、半導体レーザを４０Ｇｂ／ｓで直接変調する場合においても、半導体レーザ自体の応答速度および駆動回路については全体として４０Ｇｂ／ｓの１／４の１０ＧＨｚの帯域があればよい。すなわち、半導体レーザや駆動回路として安価な汎用品を利用することができ、送信装置を組立てるための実装技術も１０ＧＨｚ程度の帯域でよく、光送信装置のコストダウンに貢献できる。

以上に説明したように、本発明によれば、スペクトル幅が狭い、換言すれば、帯域が圧縮されたデュオバイナリ符号を変調信号に用いることにより、半導体レーザ１５の動作速度の限界を超える速度で直接変調された光信号の生成およびファイバ伝送を実現することができる。ただし、光信号のスペクトル幅を狭くすることはできないため、高速変調のトレードオフとして、伝送距離や波長多重度といった伝送能力は犠牲となる。なお、既に説明した背景技術では、スペクトル幅が狭いデュオバイナリ符号は、生成された光信号のスペクトル幅が狭くなることを利用した伝送能力の向上を目的とするものである。

従来の半導体レーザの直接変調では、半導体レーザの発振に寄与する活性層の利得の非線形性、すなわち非線形利得に起因して、変調が可能なビットレートは４０Ｇｂ／ｓが限界であった。本発明によれば、信号スペクトル帯域をビットレートの１／４に制限した３値周波数遷移変調光を出力する半導体レーザと、３値周波数遷移変調光を２値振幅変調光に変換するバンドパス型光フィルタとを備えた光送信装置が提供される。そのような光送信装置は、伝送信号のビットレートが１００Ｇｂ／ｓであっても半導体レーザを駆動する電気信号の帯域はその１／４の２５ＧＨｚになり、変調可能な帯域が３０ＧＨｚ〜４０ＧＨｚの半導体レーザを用いてビットレートが１００Ｇｂ／ｓの光信号を生成することが可能になる。

本発明の概要を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態の光通信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態における２値データ信号を搬送波周波数の信号空間へマッピングを示す説明図である。 本発明の第１の実施形態における半導体レーザの駆動電流波形である。 本発明の第１の実施形態における半導体レーザの固定パターンについての出力波形を示す波形図である。 本発明の第１の実施形態の光送信装置から出力される振幅変調光の受信波形のアイパターンで、ファイバ長がゼロの場合を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態の光送信装置から出力される振幅変調光を、シングルモード・ファイバ３００ｍを伝送した後の受信波形のアイパターンを示す説明図である。 本発明の第１の実施形態の光送信装置から出力される振幅変調光がシングルモード・ファイバ５００ｍを伝送した後の受信波形のアイパターンを示す説明図である。 本発明の第２の実施形態の光通信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態における半導体レーザの駆動電流波形を示す波形図である。 本発明の第２の実施形態における半導体レーザの固定パターンについての出力波形を示す波形図である。 本発明の第２の実施形態の光送信装置から出力される振幅変調光の受信波形のアイパターンで、ファイバ長がゼロの場合を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態の光送信装置から出力される振幅変調光が、シングルモード・ファイバ２ｋｍを伝送した後の受信波形のアイパターンを示す説明図である。 特許文献３に記載された光送信装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１，１０，１０Ａ 光送信装置
１１ データ信号発生源
１２ プリコーダ
１３，１３Ａ ローパス型電気フィルタ
１４ 駆動回路
１５ 半導体レーザ
１６，１６Ａ バンドパス型光フィルタ
１７ 振幅変調光
２０ 光受信装置
３０ ファイバ伝送路
１２１ 論理回路
１２２ １ビット遅延回路
１４０ 駆動電流
１４１ 変調電流
１５０ ３値周波数遷移変調光
１５１ 半導体レーザ出力光信号
１６０ ２値振幅変調光

Claims (15)

1. ビットレートの１／４に帯域が制限されたベースバンド信号を用いて駆動電流が変調されることによって３値周波数遷移変調光を生成する半導体レーザと、前記３値周波数偏移変調光から真中の周波数の搬送波のみを透過させて２値振幅変調光に変換して光ファイバに出力するバンドパス型光フィルタとを有し、
   前記３値周波数遷移変調光の搬送波の周波数の間隔が前記ビットレートの１／２よりも大きく、前記バンドパス型光フィルタの透過帯域幅が前記ビットレートの１／２よりも大きい
   ことを特徴とする光送信装置。
2. 半導体レーザの駆動電流が直流電流と変調電流とからなり、前記半導体レーザの緩和振動周波数がビットレートの１／４よりも大きくなるように前記直流電流が与えられている
   請求項１記載の光送信装置。
3. 半導体レーザの駆動電流が直流電流と変調電流とからなり、前記半導体レーザの小信号変調帯域がビットレートの１／４よりも大きくなるように前記直流電流が与えられている
   請求項１記載の光送信装置。
4. ３値周波数遷移変調光の第１の搬送波の周波数と第２の搬送波の周波数との間隔は、第２の搬送波の周波数と第３の搬送波の周波数との間隔と等しい
   請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の光送信装置。
5. ３値周波数遷移変調光の時間波形の立上り時間と立下り時間とが等しい
   請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の光送信装置。
6. バンドパス型光フィルタの透過特性が中心波長に対して対称の透過スペクトル形状を有する
   請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の光送信装置。
7. バンドパス型光フィルタがｎ次（ｎ：正数）のガウス関数で近似される透過特性を有する
   請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の光送信装置。
8. 請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載の光送信装置と、ファイバ伝送路と、光受信装置とを備えた光通信装置。
9. ビットレートの１／４に帯域が制限されたベースバンド信号を用いて駆動電流が変調されることによって半導体レーザから３値周波数遷移変調光を生成し、
   前記３値周波数偏移変調光からバンドパス型光フィルタを用いて真中の周波数の搬送波のみを透過させ２値振幅変調光に変換して光ファイバに出力し、
   前記３値周波数遷移変調光の搬送波の周波数の間隔を前記ビットレートの１／２よりも大きくし、前記バンドパス型光フィルタの透過帯域幅を前記ビットレートの１／２よりも大きくする
   ことを特徴とする光送信方法。
10. 半導体レーザの駆動電流が直流電流と変調電流とからなり、前記半導体レーザの緩和振動周波数がビットレートの１／４よりも大きくなるように前記直流電流を与える
    請求項９記載の光送信方法。
11. 半導体レーザの駆動電流が直流電流と変調電流とからなり、前記半導体レーザの小信号変調帯域がビットレートの１／４よりも大きくなるように前記直流電流を与える
    請求項９に記載の光送信装置。
12. ３値周波数遷移変調光の第１の搬送波の周波数と第２の搬送波の周波数との間隔を、第２の搬送波の周波数と第３の搬送波の周波数との間隔と等しくする
    請求項９から請求項１１のうちのいずれか１項に記載の光送信方法。
13. ３値周波数遷移変調光の時間波形の立上り時間と立下り時間とを等しくする
    請求項９から請求項１２のうちのいずれか１項に記載の光送信方法。
14. バンドパス型光フィルタの透過特性を、中心波長に対して対称の透過スペクトル形状を有する特性にする
    請求項９から請求項１３のうちのいずれか１項に記載の光送信方法。
15. バンドパス型光フィルタの透過特性を、ｎ次（ｎ：正数）のガウス関数で近似される透過特性にする
    請求項９から請求項１４のうちのいずれか１項に記載の光送信方法。

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