JP2014165223A

JP2014165223A - 光送信器

Info

Publication number: JP2014165223A
Application number: JP2013032604A
Authority: JP
Inventors: Jun Endo; 潤遠藤; Toshio Ito; 敏夫伊藤; Atsushi Kanda; 神田　　淳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-09-08
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: JP5986519B2

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光導波路を設けて、その光導波路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、戻り光の位相が変化しても、定常的に安定な光送信波形を提供すること。
【解決手段】光源として分布帰還型レーザ１０１を用い、外部変調器として電界吸収型変調器１０２を用いる。ＤＦＢ−ＬＤ１０１の後方出射部は、ＤＦＢ−ＬＤ１０１の発振光を透過する光導波路１０３に接続され、金属反射面１０４で終端する。ＢＰＦ１１３の出力電圧振幅Ｖｆを、ＧＮＤ電位Ｖｒと比較器１１４で比較し、出力電圧振幅Ｖｆと目標値であるＧＮＤ電位Ｖｒとの偏差をＰＩＤ制御器１１５によって操作して偏差に相関する信号を制御導波路駆動回路１１６に出力する。制御導波路駆動回路１１６は、ＰＩＤ制御器１１５の出力信号に基づき制御導波路１０１に印加する電圧Ｖｃｎｔを出力する。
【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。

図１０に、従来の送信波形劣化を補償する手段を備えた半導体レーザ装置の構成を示す。この半導体レーザ装置３００は、レーザ信号電流発生装置４０１で生成した信号電流を活性導波路領域３０１に印加することで信号光を発生させ、活性導波路領域３０１と光学的に結合した光導波路３０２を設けて、光導波路３０２の屈折率を変調信号発生装置４０２で生成した電圧または電流によって変調し、戻り光雑音を抑制する（特許文献１参照）。

特開平１１−０８７８５３号公報

しかしながら、半導体レーザ装置３００では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、光導波路３０２の屈折率の変調信号を常時調整する必要があるという課題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、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光導波路を設けて、その光導波路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、戻り光の位相が変化しても、定常的に安定な光送信波形を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、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の前方出射部と光学的に結合した電界吸収型変調器と、前記分布帰還型半導体レーザの後方出射部と光学的に結合し、出射光を該分布帰還型半導体レーザの活性領域に帰還させる光伝送路と、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、前記光分波器の分波光の所定の周波数帯の光強度を検出する検波部と、前記検波部の出力値と目標値の偏差に相関する信号を出力する制御部と、前記光分波器の分波光の雑音強度が最小になるように、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。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光送信器において、前記光伝送路は、前記分布帰還型半導体レーザの発振波長を透過する材料から成る光導波路を具備することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光送信器において、前記検波部は、バンドパスフィルタを具備し、該バンドパスフィルタの透過帯域内に、前記分布帰還型半導体レーザの緩和振動周波数と共振周波数成分の一部を含むことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光送信器において、前記制御部は、比較器およびＰＩＤ制御器を具備し、該比較器は前記検波部の出力値と目標値の偏差を検出し、該ＰＩＤ制御器は該偏差を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５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光送信器において、前記検波部は、バンドパスフィルタを具備し、該バンドパスフィルタの透過率の最大値を得る周波数は、前記外部変調器を変調する基本周波数以上かつ前記分布帰還型半導体レーザの緩和振動周波数の２倍以下であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、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の前方出射部と光学的に結合した電界吸収型変調器と、前記分布帰還型半導体レーザの後方出射部と光学的に結合し、出射光を該分布帰還型半導体レーザの活性領域に帰還させる光伝送路とを備えた半導体光集積素子において該光伝送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、前記半導体レーザの出射光の所定の周波数帯の光強度を検出するステップと、前記検出された光強度と目標値の偏差を検出するステップと、前記半導体レーザの出射光の雑音強度が最小になるように、前記偏差に相関する電界を前記光伝送路に印加するステップとを備えたことを特徴とする。

本発明は、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光導波路を設けて、その光導波路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、戻り光の位相が変化しても、光送信波形を定常的に安定化する効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る光送信器の構成を示す図である。ＥＡの変調電圧波形を示す図である。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ける、ＥＡ−ＤＦＢ１００の光出力波形（アイダイアグラム）を示す図である。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ける、ＥＡ−ＤＦＢ１００のスペクトラムを示す図である。反射戻り光が存在する場合における、ＥＡ−ＤＦＢ１００の光出力波形（アイダイアグラム）を示す図である。反射戻り光が存在する場合における、ＥＡ−ＤＦＢ１００のスペクトラムを示す図である。本発明の一実施形態に係るＢＰＦ１１３の透過特性を示す図である。本発明の一実施形態に係る制御導波路１０１を伝搬する光波の位相変化量φに対するＥＡ−ＤＦＢ１００の光出力波形を示す図である。本発明の一実施形態に係る制御導波路１０１を伝搬する光波の位相変化量φに対するＢＰＦ出力電圧波形を示す図である。従来の送信波形劣化を補償する手段を備えた半導体レーザ装置の構成を示す図である。

本発明は、戻り光によって発生する緩和振動周波数を有する振動成分とその高次成分を、それらの振動成分を包含する帯域を有するバンド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光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ことを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る光送信器の構成を示す。光源として分布帰還型レーザ１０１（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１０２（以下ＥＡと称す）を用いる。ＤＦＢ−ＬＤ１０１は、信号電流発生装置２０１で生成さした信号電流を活性領域に印加することで信号光を発生させ、ＥＡ１０２は、変調信号発生装置２０２で生成した電圧または電流によって変調を制御する。

ＤＦＢ−ＬＤ１０１の後方出射部は、ＤＦＢ−ＬＤ１０１の発振光を透過する光導波路１０３（以下制御導波路と称す）に接続され、金属反射面１０４で終端する。制御導波路１０３の上下層にクラッド層、その最表面に電極面が形成され、電界印加によって制御導波路１０３の屈折率を変化させる。

尚、制御導波路１０３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、半導体材料はＤＦＢ−ＬＤ１０１以上のバンドギャップを有するものとする。また、制御導波路１０３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。本実施形態では、素子長５００μｍ、Ｖπ＝１０Ｖの半導体導波路を制御導波路１０３として用いて集積する。

また、本実施形態では、直線状の光導波路である制御導波路１０３を金属反射面１０４で終端しているが、これに代えて、リング状の光導波路によってＤＦＢ−ＬＤ１０１の後方出射光を周回させてＤＦＢ−ＬＤ１０１の活性領域に帰還させても良い。

図２に、ＥＡの変調電圧波形を示す。ＥＡ１０２の変調電圧は、ビットレート１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ（ＰＲＢＳ２^７−１）とする。図３、４に、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ける、ＥＡ−ＤＦＢ１００の光出力波形（アイダイアグラム）、スペクトラムをそれぞれ示す。

一方、図５、６に、反射戻り光が存在する場合における、ＥＡ−ＤＦＢ１００の光出力波形とスペクトラムをそれぞれ示す。図５が示す様に、反射戻り光が存在する場合には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ていることから、反射戻り光が雑音強度の増大する原因となっていることが分かる。また、図４、６を比較すると、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−ＬＤ１０１の緩和振動周波数ｆｒの近傍から発生しており、ＤＦＢ−ＬＤ１０１の緩和振動が戻り光の雑音強度増大の一要因であることが分かる。

ここで図１に戻り、本発明の制御系１１１〜１１６の構成について説明する。ＥＡ−ＤＦＢ１００の光出力を１０：１の光カップラ１１１によって分波し、低出力側をＤＦＢ−ＬＤの緩和振動周波数以上の帯域を有するフォトダイオード１１２で受光し、光電変換して電圧信号を出力し、バンドパスフィルタ１１３（以下ＢＰＦと称す）によって、戻り光によって誘起された振動成分を含む所定の周波数帯の電圧振幅を検出する。

図７に、本発明の一実施形態に係るＢＰＦ１１３の透過特性を示す。本実施形態ではＢＰＦ１１３の透過率を、ＥＡ変調信号の基本周波数以上かつ緩和振動周波数ｆｒの２倍以下の周波数でピークを持つように設定したが、ＤＦＢ−ＬＤ１０１の緩和振動周波数ｆｒと共振周波数成分の一部を含むものであれば良い。

ＢＰＦ１１３の出力電圧振幅Ｖｆを、ＧＮＤ電位Ｖｒと比較器１１４で比較し、その差分（Ｖｒ−Ｖｆ）、すなわち、出力電圧振幅Ｖｆと目標値であるＧＮＤ電位Ｖｒとの偏差をＰＩＤ（比例、積分、微分）制御器１１５によって操作して偏差に相関する信号を制御導波路駆動回路１１６に出力する。制御導波路駆動回路１１６は、ＰＩＤ制御器１１５の出力信号に基づき制御導波路１０１に印加する電圧Ｖｃｎｔを出力する。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１０１を伝搬する光波の位相が変化する。

図８、９に、本発明の一実施形態に係る制御導波路１０１を伝搬する光波の位相変化量φに対するＥＡ−ＤＦＢ１００の光出力波形、ＢＰＦ出力電圧波形をそれぞれ示す。制御系１１１〜１１６は、戻り光位相が変化しても、ＢＰＦ出力電圧がＧＮＤ電位に収束する方向に動作するため、ＥＡ−ＤＦＢ１００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ることにより、定常的に安定な光出力波形を得ることができる。

１００ＥＡ−ＤＦＢ
１０１分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）
１０２電界吸収型変調器（ＥＡ）
１０３制御導波路
１０４金属反射面
１１１光カプラ
１１２フォトダイオード
１１３バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１１４比較器
１１５ＰＩＤ制御器
１１６制御導波路駆動回路
２０１、４０１信号電流発生装置
２０２，４０２変調信号発生装置
３０１活性導波路領域
３０２光導波路領域

Claims

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の前方出射部と光学的に結合した電界吸収型変調器と、
前記分布帰還型半導体レーザの後方出射部と光学的に結合し、出射光を該分布帰還型半導体レーザの活性領域に帰還させる光伝送路と、
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、
前記光分波器の分波光の所定の周波数帯の光強度を検出する検波部と、
前記検波部の出力値と目標値の偏差に相関する信号を出力する制御部と、
前記光分波器の分波光の雑音強度が最小になるように、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。
前記光伝送路は、前記分布帰還型半導体レーザの発振波長を透過する材料から成る光導波路を具備することを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
前記検波部は、バンドパスフィルタを具備し、該バンドパスフィルタの透過帯域内に、前記分布帰還型半導体レーザの緩和振動周波数と共振周波数成分の一部を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光送信器。
前記制御部は、比較器およびＰＩＤ制御器を具備し、該比較器は前記検波部の出力値と目標値の偏差を検出し、該ＰＩＤ制御器は該偏差を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。
前記検波部は、バンドパスフィルタを具備し、該バンドパスフィルタの透過率の最大値を得る周波数は、前記外部変調器を変調する基本周波数以上かつ前記分布帰還型半導体レーザの緩和振動周波数の２倍以下であ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。
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の前方出射部と光学的に結合した電界吸収型変調器と、前記分布帰還型半導体レーザの後方出射部と光学的に結合し、出射光を該分布帰還型半導体レーザの活性領域に帰還させる光伝送路とを備えた半導体光集積素子において該光伝送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、
前記半導体レーザの出射光の所定の周波数帯の光強度を検出するステップと、
前記検出された光強度と目標値の偏差を検出するステップと、
前記半導体レーザの出射光の雑音強度が最小になるように、前記偏差に相関する電界を前記光伝送路に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。