JP2827977B2 - 半導体光変調器の変調回路 - Google Patents

半導体光変調器の変調回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体光変調器の変
調回路に関し、特に電界吸収型光変調器及び電界吸収型
変調器と半導体レーザが集積化された素子を低チャープ
動作を維持して変調することのできる変調回路に関す
る。
【0002】
【従来技術】マルチメデイア時代を迎え、データ容量の
大きな画像情報の増加にともない、幹線系通信網にはG
b/s(ギガビット/秒)レンジの大容量伝送が要求さ
れるようになってきた。幹線系の通信網に用いられてい
る光ファイバ通信システムでは、現在2.4Gb/sの
システムが実用化されようとしている。
【0003】こうした高速光ファイバ通信システムで
は、光源を変調した時に波長の揺らぎ(波長チャーピン
グ)があると、光ファイバの波長分散の影響で伝送後の
光波形が乱れてしまう。
【0004】そこで、変調時の波長チャーピングの小さ
な光源として、半導体レーザと光変調器とを組み合わせ
た構成が有望であり、実用化が進められている。この構
成によれば半導体レーザを安定な単一波長で動作させ、
その光に対し外部変調を行うため変調時の波長チャーピ
ングは小さくなる。この場合、用いられる半導体レーザ
と光変調器として、それぞれ単体のものを用意し、両者
を光ファイバで接続して使うか、または半導体レーザと
光変調器とを集積化した素子を用いてもよい。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】光ファイバ通信に用い
られるこれらの光源は、一般にデジタル変調される。
【0006】電界印加時の吸収端の長波長側へのシフト
を利用する電界吸収型光変調器の場合、図7に示すよう
な回路構成により、一般には0Vと負の電圧(図では−
3V)との間の変調信号により変調される。
【0007】デジタル信号の中には‘1’または‘0’
が長い時間連続する場合がある。そのような場合でも、
動作電圧の変動がない適切な光変調を実現するために、
変調器を駆動するドライバ3と変調器2とはDC結合さ
せて使うことになる。
【0008】ドライバ3は一般にECL(Emitter Coupled
Logic)回路とその最終段にオープンエミッタまたはオ
ープンドレインで構成される。
【0009】動作時のドライバ3の出力インピーダンス
は大きい。この出力インピーダンスが大きいことは以下
の理由で問題になる。
【0010】即ち、光変調器2の中で光吸収によってフ
ォトカレントが生じるのであるが、ドライバ3の出力イ
ンピーダンスが大きいとこのフォトカレントは負荷抵抗
4(一般には50Ω)に流れこむため、フォトカレント
と負荷抵抗値の積に等しい分だけ、光変調器2の動作点
はp−n接合に対して順方向(正の方向)にオフセット
が加わることになる(以下、「順方向への自己バイアス
現象」という)。
【0011】たとえば、変調時にフォトカレントが平均
的に15mA発生したとすると、負荷抵抗値との積は
0.75Vとなる。変調振幅が3Vp-pの場合には、
変調器2は順方向に+0.75V自己バイアスされ、そ
の結果+0.75Vと―2.25Vとの間で変調される
ことになる。
【0012】電界吸収型光変調器の場合、動作電圧が正
の値をとると光吸収によって発生したフォトキャリアが
吸収層内に蓄積されるために変調時の屈折率変化が大き
くなる。すると、大きな光の位相変調が生じ、その結果
波長の揺らぎが大きくなって伝送後の光波形劣化を引き
起こすことが、発明者らの実験で明らかになった。
【0013】従って、本発明は半導体光変調器を変調す
る変調回路であって、変調器とDC結合しているドライ
バを用いても波長チャープの少ない光強度変調を行うこ
とのできる変調回路を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、電界吸収型の半導体光変調器を駆動する
回路であって、前記変調器とDC結合をなすドライバ
と、前記変調器と並列に接続された負荷抵抗と、前記変
調器内で光吸収によって生じたフォトカレントを引き抜
くために前記変調器と並列接続された定電流源と、を含
むことを特徴とする半導体光変調器の変調回路を提供す
る。
【0015】また、本発明は、電界吸収型の光変調器と
DC結合をなすドライバと、 前記変調器と並列に接続
された負荷抵抗と、を含み、 前記ドライバが送り出す
信号は負の電圧側にオフセットされている光変調器の変
調回路において、 前記オフセット電圧が、前記変調器
内で光吸収によって発生するフォトカレントの変調時の
平均値と、前記負荷抵抗の抵抗値と、の積とほぼ等しく
設定されていることを特徴とする半導体光変調器の変調
回路を提供する。
【0016】
【作用】本発明は、電界吸収型光変調器をDC結合ドラ
イバで変調した場合に発生する順方向への自己バイアス
現象を抑制し、波長チャープの少ない光強度変調を実現
するための変調回路を提供するものである。
【0017】前記したように、フォトカレントが負荷抵
抗を流れることによって変調器が自己バイアスされるの
であるから、この自己バイアス現象を抑制するために
は、このフォトカレントが負荷抵抗に流れこまないよう
にする電流のバイパスライン(電流引き抜き回路)を負
荷抵抗と並列に接続すればよい。ただし、電流引き抜き
回路の入力インピーダンスは、ドライバ側とのインピー
ダンス整合を維持するために、負荷抵抗に比べ十分大き
くしなければならない。
【0018】このような電流引き抜き回路は、図1に示
すように、定電流源5を負荷抵抗4と並列に接続するこ
とにより実現できる。
【0019】即ち、定電流源5はその電流の流れる方向
が変調器2のp−n接合に対して逆方向となるように
(言い換えれば負荷抵抗4にフォトカレントI0とは反
対方向の電流I1を流すように)接続し、負荷抵抗4を
流れるフォトカレントと同量の電流を定電流源5によっ
て流せば、負荷抵抗4を流れるフォトカレントはキャン
セルされ自己バイアス現象は抑制されるのである。
【0020】なお、定電流源5によりフォトカレントよ
りも多めの電流を流しても変調器2は順方向にバイアス
されるわけではないから、特に波長チャープが大きくな
ることもなく問題はない。
【0021】定電流源5の入力インピーダンスは非常に
大きいが、高周波域に対しては小さくなることがある。
その場合には、高周波域においても高インピーダンスを
維持するために、定電流源5と直列にチョークコイルを
付加すればよい。
【0022】ドライバとして負の電圧側にオフセットを
もつ変調信号を発生するものを用いる場合があるが、こ
の場合にはこのオフセット電圧を、フォトカレントと負
荷抵抗の積の値と同じか、またはそれよりも大きく設定
することで、変調器の自己バイアスを相殺することがで
きる。その結果、定電流源によるフォトカレント引き抜
き技術を用いた場合と同じく、波長チャーピングの小さ
な良好な光強度変調を行うことができる。
【0023】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面を用いて詳細に説明する。
【0024】
【実施形態1】図2は、本発明の第1の実施形態に係る
半導体光変調器の変調回路の構成を示す図である。
【0025】図2を参照して、分布帰還型(DFB)半
導体レーザ1と集積化された光変調器2と、光変調器2
とDC結合するドライバ3と、光変調器2と並列に接続
された負荷抵抗4、及び定電流源5とからなる。
【0026】定電流源5と変調器2との間にはチョーク
コイル6が接続されている。
【0027】定電流源5はトランジスタを用いた簡単な
回路で構成される。定電流源5の入力インピーダンスは
トランジスタの動作周波数帯域の範囲内であれば非常に
大きい。
【0028】本実施形態では、帯域400MHzのトラ
ンジスタを用いている。チョークコイル6のインダクタ
ンスは400MHz以上の周波数域に対して十分大きな
インピーダンスを持つように1μHとした。
【0029】図2の構成で光変調を行い、実際にスタン
ダード光ファイバを使った2.5Gb/s―120km
の伝送を行った。これを以下に詳説する。
【0030】集積化光源のレーザ部1には電流100m
Aを注入し、光変調器部から変調時平均光出力として4
mWで動作させた。
【0031】変調器2へは3Vp-pの変調信号を印加
した。このときの光変調器2で発生するフォトカレント
は15mAであった(なお、変調時平均フォトカレント
は、変調器2に直流電源を接続し、変調振幅の半分の電
圧―1.5Vを印加した状態で、光を入力した時に発生
するフォトカレントで定義した)。
【0032】図3は、120km伝送後に測定した光信
号に対する最小受信感度の、伝送前でのデータと比較し
た時の劣化量を定電流源5を流れる電流の依存性として
示した図である。縦軸はビット誤り率(BER)が10
-11における受信感度劣化量(デシベル表示)を、横軸
は定電流源の電流値を示している。
【0033】変調時に波長チャープがあると、伝送後に
最小受信感度の劣化として現れてくる。
【0034】実験の結果では、定電流源の電流値がフォ
トカレントと同じか、またはそれよりも多い範囲(>1
5mA)で、受信感度劣化がほとんどなく(即ち受信感
度劣化量は0dB)、波長チャープを効果的に抑制する
ことができた。
【0035】図4は、定電流源の電流がゼロの時と、1
5mAの時の120km伝送後の光変調波形の比較を示
す。
【0036】電流を流すことにより波長チャープが抑制
された結果、伝送後の光パルス波形が大幅に改善され、
良好なアイパターンが得られた。
【0037】このように、定電流源による電流引き抜き
は波長チャープ抑制に極めて有効であることが確かめら
れている。
【0038】なお、本発明の実施形態に係る光変調器の
変調回路は、半導体レーザを直接変調する場合に用いら
れる回路(ドライバ、半導体レーザと定電流源とを似た
ような構成で接続する)と類似している点もあるが、半
導体レーザ変調の場合には定電流源の接続方向が、本実
施形態とは逆である(即ちp−n接合に対して順方向電
流を流す)こと、また定電流源は半導体レーザに直接電
流注入するためのものであるのに対し、本実施形態で
は、変調器2に電流注入するのではなく負荷抵抗4を流
れるフォトカレントをキャンセルするために用いている
点等、回路構成及び回路動作は半導体レーザ変調の場合
と全く異なるものである。
【0039】また、変調器は電界印加によって動作する
ものであるため、変調器に電流源を接続するといった発
想はこれまでに全くなく、本実施形態はその意味でも極
めて新規なものである。
【0040】
【実施形態2】図5に、本発明の第2の実施形態に係る
半導体光変調器の変調回路の構成を示す。
【0041】図5を参照して、負の電圧側にオフセット
された変調信号を送り出すドライバ3と、このドライバ
3とDC結合をなす光変調器2(光変調器2はDFBレ
ーザ1と集積化されている)と、負荷抵抗4(50Ω)
とからなる。
【0042】半導体レーザ1に注入する電流、変調振
幅、変調器2で発生するフォトカレントは前記第1の実
施形態と同じ(それぞれ100mA、3Vp-p、15
mA)である。
【0043】図5の構成で、実際に2.5Gb/s−1
20kmの伝送実験を行った。
【0044】図6に、伝送後の受信感度劣化の変調信号
オフセット電圧依存性を示す。図中、縦軸はビット誤り
率(BER)が10-11における受信感度劣化量(デシ
ベル表示)を、横軸は変調信号オフセット電圧(V)を
示している。
【0045】図6を参照して、変調信号オフセット電圧
を負の方向に0.75V以上に設定した場合、受信感度
劣化のない伝送特性を得ている。
【0046】これは、フォトカレントが負荷抵抗4に流
れることで生じる変調器自体の順方向への自己バイアス
を、この負のオフセット電圧によりキャンセルしたため
に、変調時の波長チャープが抑制された結果である。オ
フセット電圧は変調時の平均フォトカレントと負荷抵抗
値との積で決まる値と同じか、またはそれよりも大きく
設定すればよい。
【0047】尚、本発明の第1の実施形態では、定電流
源による引き抜き電流値はフォトカレントよりも同じ
か、それよりも大きく設定し、また第2の実施形態では
変調信号のオフセットはフォトカレントと負荷抵抗の積
の値と同じか、またはそれよりも大きく設定したが、こ
れらの設定値は波長チャープを抑制するという観点から
決定したものであり、たとえば変調器からの光出力をな
るべく高くする方が望ましい場合には、引き抜き電流及
びオフセット電圧は許される範囲で小さい方がよい。
【0048】即ち、前記第1の実施形態の場合にはフォ
トカレントとほぼ同じ引き抜き電流とし、また前記第2
の実施形態の場合にはオフセット電圧はフォトカレント
と負荷抵抗の積とほぼ等しく設定することが望ましい。
【0049】上記実施形態では、変調器は半導体レーザ
と集積化されたものを用いたが、変調器はレーザとは分
離された単体のものであっても本発明は有効である。ま
た、変調ビットレートも2.5Gb/sに限らず、さら
に高速の10Gb/sの変調に対しても本発明は有効で
ある。
【0050】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る変調
技術を用いない構成で光ファイバ伝送を行うと、2.5
Gb/sの伝送レートで約60kmが最大のデータ伝送
可能距離とされているが、本発明の変調技術を適用する
ことで、300kmを越えるデータ伝送が可能になっ
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光変調器の変調回路の原理を説明
するための図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る光変調器の変調回路
の構成を示す図である。
【図3】本発明の一実施形態において、2.5Gb/s
−120km伝送を行った場合の受信感度劣化の定電流
源電流値依存性を示す図である。
【図4】本発明の一実施形態における、2.5Gb/s
−120km伝送後のオシロ波形である。 (A)電流値=0 (B)電流値=15mA
【図5】本発明の第2の実施形態を説明する図である。
【図6】本発明の一実施形態において、2.5Gb/s
−120km伝送を行った場合の受信感度劣化の変調信
号オフセット電圧依存性を示す図である。
【図7】従来の光変調器の変調回路の構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 半導体レーザ 2 光変調器 3 ドライバ 4 負荷抵抗 5 定電流源 6 チョークコイル
フロントページの続き (56)参考文献 IEEE Photorics Te chnolozy Letters,第 4巻 第7号 720−723頁 Jawrnml of Lizbtw awe Techvolozy,第6巻 第6号 779−785頁 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/015 502

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電界吸収型の半導体光変調器を駆動する回
    路であって、 前記変調器とDC結合をなすドライバ
    と、 前記変調器と並列に接続された負荷抵抗と、 前
    記変調器内で光吸収によって生じたフォトカレントを引
    き抜くために前記変調器と並列接続された定電流源と、
    を含むことを特徴とする半導体光変調器の変調回路。
  2. 【請求項2】前記定電流源で引き抜く電流値が、前記変
    調器内で生じるフォトカレントの変調時の平均値とほぼ
    同じかまたは該平均値よりも大に設定されたことを特徴
    とする請求項1に記載の半導体光変調器の変調回路。
  3. 【請求項3】前記ドライバが前記変調器にデジタルまた
    はアナログ信号を送ることを特徴とする請求項1記載の
    半導体光変調器の変調回路。
  4. 【請求項4】電界吸収型の光変調器とDC結合をなすド
    ライバと、 前記変調器と並列に接続された負荷抵抗と、を含み、 前記ドライバが送り出す信号は負の電圧側にオフセット
    されている光変調器の変調回路において、 前記オフセット電圧が、前記変調器内で光吸収によって
    発生するフォトカレントの変調時の平均値と、前記負荷
    抵抗の抵抗値と、の積とほぼ等しく設定されていること
    を特徴とする半導体光変調器の変調回路。
JP7201691A 1995-07-14 1995-07-14 半導体光変調器の変調回路 Expired - Lifetime JP2827977B2 (ja)

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