JP2014154835A - 光送信器 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部変調器集積半導体レーザの活性領域と光学的に結合する導波路を設けてその屈折率を変調して戻り光雑音を抑制する素子において、戻り光位相が変化しても、定常的に安定な光送信波形を提供する。
【解決手段】光送信器であって、任意の波長で発振する分布帰還型半導体レーザと、分布帰還型半導体レーザと光学的に結合する電界吸収型変調器と、分布帰還型半導体レーザに接続され、分布帰還型半導体レーザの出射光を分波する光分波器と、光分波器に接続され、分布帰還型半導体レーザの出射光を分布帰還型半導体レーザの活性領域に帰還させるための光伝送路と、分波器に接続され、光分波器の分波光の雑音強度を検出する検波部と、検出部に接続され、検波部の出力値と目標値の偏差を検出して分布帰還型半導体レーザの出射光の雑音強度が最小になるように動作する制御部と、制御部に接続され、制御部の出力を光伝送路に電界として印加するための駆動部とを具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に光通信分野に用いられる半導体レーザ出力光の劣化補償技術に関する。

光通信システム構成部品の一つである光送信モジュールは、光源として半導体レーザを使用する。光送信モジュールは、シングルモードで発振する半導体レーザを使用する場合、モジュール外部からレーザの活性領域に帰還する光（以下戻り光と称す）が存在すると、発振モードが不安定となり送信波形が劣化する。通常、その戻り光を遮断するために、モジュール内部に光アイソレータを装備する。アイソレータは、光モジュールにおいて、それが占める部品コストの割合が大きく、コリメート系を構成するための調芯工程を要し、また、モジュールサイズの縮小化を制限する。従って、低コスト化、小型化のためには、アイソレータを使用しないことが望ましい。アイソレータを除いた場合、戻り光によって雑音成分が誘起され、送信波形は著しく劣化する。

前記送信波形劣化を補償するため、図１２に示すように、活性領域と光学的に結合する導波路を設けて、その屈折率を電圧または電流によって変調し、戻り光雑音を抑制する手段が考案されている（特許文献１）。しかしながら、光伝送路の環境温度や応力によって戻り光の位相は時間的に変化し送信波形は不安定になるため、導波路の屈折率の変調信号を常時調整する必要がある。

特開平１１−８７８５３号公報

外部変調器集積半導体レーザの活性領域と光学的に結合する導波路を設けてその屈折率を変調して戻り光雑音を抑制する素子において、戻り光位相が変化しても、定常的に安定な光送信波形を提供する。

戻り光によって発生する緩和振動周波数を有する振動モードのうち低次成分を、それらローパスフィルタによって検出し、半導体レーザの外部に備えられた導波路内を伝搬する光波の位相を負帰還制御することにより、波形劣化の原因となる振動成分を抑圧する。

ＥＡ−ＤＦＢの活性領域と光学的に結合する導波路を設けてその屈折率を変調して戻り光雑音を抑制する素子において、戻り光位相が変化しても、定常的に安定な光送信波形を得ることができる。

本発明を代表する実施例を示す概略図である。 本発明に係るＥＡ変調電圧波形を示すグラフである。 戻り光がない場合のＥＡ−ＤＦＢの光出力アイダイアグラムである。 戻り光がない場合のＥＡ−ＤＦＢの光出力スペクトラムを示すグラフである。 戻り光がある場合のＥＡ−ＤＦＢの光出力アイダイアグラムである。 戻り光がある場合のＥＡ−ＤＦＢの光出力スペクトラムを示すグラフである。 戻り光がない場合のＤＦＢ−ＬＤの光出力スペクトラムの低周波数領域を示すグラフである。 戻り光があり、補償がない場合のＤＦＢ−ＬＤの光出力スペクトラムの低周波数領域を示すグラフである。 ＬＰＦの透過特性を示すグラフである。 戻り光存在下における制御導波路の位相変化依存性を示す、ＥＡ−ＤＦＢのアイダイアグラムである。 戻り光存在下における制御導波路の位相変化依存性を示す、ＬＰＦ出力電圧を示すグラフである。 従来の光送信器の例を示す概略図である。

［実施例］
図１に、本発明を代表する実施形態を示す。光源として任意の波長で発振する分布帰還型レーザ００１（以下ＤＦＢ−ＬＤと称す）を用い、外部変調器として電界吸収型変調器００２（以下ＥＡと称す）を用いる。ＤＦＢ−ＬＤ００１の後方出射部は、光カップラ１００を介して、ＤＦＢ−ＬＤの発振光を透過する導波路０００に接続され、金属反射面００３で終端する。導波路の上下層にクラッド層が形成され、その最表面に電極面が形成され、電界印加によって導波路の屈折率を変化させる。尚、導波路の材料としては、半導体、絶縁体、強誘電体のいずれでも可能であるが、導波路の構成は、半波長電圧Ｖπと素子長の積が小さいものが望ましい。また、金属反射面で終端する代わりに、リング状の導波路によってＤＦＢ−ＬＤの後方出射光を周回させて活性領域に帰還させても良い。以下、本導波路を制御導波路と称す。本実施例では、素子長５００μｍ、Ｖπ＝１０Ｖの半導体導波路を制御導波路として用いて集積する。半導体材料は、前記ＤＦＢ−ＬＤ以上のバンドギャップを有する。

ＥＡの変調電圧は、ビットレート１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ（ＰＲＢＳ ２７−１）とする。図２に、そのＥＡ変調電圧波形を示す。光伝送路内の反射点からの戻り光が存在しない場合において、ＥＡ−ＤＦＢの光出力波形（アイダイアグラム）とスペクトラムを図３と図４に示す。一方、反射戻り光が存在する場合において、ＥＡ−ＤＦＢの光出力波形とスペクトラムを図５と図６に示す。図５、および６が示す様に、ＥＡ変調信号の周波数成分の他に、複数の振動モードが誘起され、雑音強度が増大する原因となる。スペクトラムに観測される変調周波数以上の振動モードは、ＤＦＢ−ＬＤの緩和振動周波数ｆｒの近傍に発生しており、ＤＦＢ−ＬＤの緩和振動が戻り光雑音の一要因であることを示している。

一般に、戻り光によって誘起される振動成分は、外部変調信号よって抑圧されるため、その変調周波数以下の低周波領域においては、その振動成分を検出することが困難である。従って本発明では、外部変調を担うＥＡの光出力ではなく、ＤＦＢ−ＬＤの連続光出力を検出する手法を採る。図７は、戻り光が存在しない場合のＤＦＢ−ＬＤの光出力スペクトラムの低周波領域を示す。一方、図８は、戻り光が存在する場合のＤＦＢ−ＬＤの光出力スペクトラムの低周波領域を示す。

再び図１を参照する。前記ＤＦＢ−ＬＤ００１の連続光出力を１０：１の光カップラ１００によって分波する。分波器は、前記ＤＦＢ−ＬＤ以上のバンドギャップを有する半導体材料によって集積する。または、平面光波回路を用いてもよい。分波された低出力光を任意の帯域を有するフォトダイオード１０１で受光し電圧出力し、ローパスフィルタ１０２（以下ＬＰＦと称す）によって、戻り光によって誘起された振動成分の電圧振幅を検出する。ＬＰＦ１０２の高域遮断周波数ｆｃは任意であるが、本実施例では、ＥＡ変調信号の帯域より低い２ＧＨｚに設定した。図９は、ＬＰＦの透過特性を示す。ＬＰＦの出力電圧振幅Ｖｆを、比較器１０３によって、ＧＮＤ電位Ｖｒと比較し、ＰＩＤ制御器１０４によって、その差分（Ｖｒ−Ｖｆ）をＰＩＤ（比例、積分、微分）によって操作し、駆動回路１０５によって制御導波路に印加する電圧Ｖｃｎｔとして出力する。Ｖｃｎｔの可変量は、２Ｖπ以上となるように設定する。Ｖｃｎｔに応じて、制御導波路を伝搬する光波の位相が変化する。図１０、図１１は、その位相変化量φに対するＥＡ−ＤＦＢの光出力波形及びＬＰＦ出力電圧波形を示す。制御系は、戻り光位相が変化しても、ＬＰＦ出力電圧がＧＮＤ電位に収束する方向に動作するため、ＥＡ−ＤＦＢの光出力波形に誘起された雑音強度が抑圧される。戻り光位相変化より高速な応答速度で制御すれば、定常的に安定な光出力波形を得ることができる。

０００ 制御導波路
００１ 分布帰還型レーザ
００２ 電界吸収型変調器
００３ 金属反射端
１００ 光カップラ
１０１ フォトダイオード
１０２ ローパスフィルタ
１０３ 比較器
１０４ PID制御器
１０５ 制御導波路駆動回路
２０１ 変調信号発生装置
２０２ 信号電流発生装置
３００ 活性導波路領域
３０１ 光導波路領域

Claims (6)

1. 任意の波長で発振する分布帰還型半導体レーザと、
   前記分布帰還型半導体レーザと光学的に結合する電界吸収型変調器と、
   前記分布帰還型半導体レーザに接続され、前記分布帰還型半導体レーザの出射光を分波する光分波器と、
   前記光分波器に接続され、前記分布帰還型半導体レーザの前記出射光を前記分布帰還型半導体レーザの活性領域に帰還させるための光伝送路と、
   前記分波器に接続され、前記光分波器の分波光の雑音強度を検出する検波部と、
   前記検出部に接続され、前記検波部の出力値と目標値の偏差を検出して前記分布帰還型半導体レーザの前記出射光の雑音強度が最小になるように動作する制御部と、
   前記制御部に接続され、前記制御部の出力を前記光伝送路に電界として印加するための駆動部と
   を具備することを特徴とする光送信器。
2. 前記検波部は、ローパスフィルタを具備し、前記分布帰還型半導体レーザの活性領域に帰還する光波によって誘起される振動成分のみを検出すること特徴とする請求項１に記載の光送信器。
3. 前記検波部は、フォトダイオードをさらに具備し、前記分波光を受光し電圧を出力することを特徴とする請求項２に記載の光送信器。
4. 前記制御部は、比較器およびＰＩＤ制御器を具備し、前記比較器は前記検波部の出力値と目標値の偏差を検出し、前記ＰＩＤ制御器は前記偏差をＰＩＤによって操作して前記出射光の雑音強度を最小にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光送信器。
5. 前記駆動部は、制御導波路駆動回路を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光送信器。
6. 半導体レーザの外部に備えられた導波路内を伝播する光波の位相を負帰還制御する方法であって、
   前記導波路を、前記半導体レーザの活性領域と光学的に結合させるステップと、
   前記半導体レーザの出射光を分波した分波光の雑音強度を検出するステップと、
   前記検出された前記雑音強度を最小にするステップと、
   前記雑音強度が最小にされた前記分波光を前記導波路に電界として印加するステップと
   を備えたことを特徴とする負帰還制御する方法。