JP2957199B2 - 光送信器 - Google Patents

光送信器

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信に用いられる光送信器に関し、特
に、超高速光伝送中継器において必要とされる高出力の
光送信器に係る。
〔従来の技術〕
従来の光伝送システムにおいて使用されている中継器
の送信部分では、半導体レーザの直接強度変調が用いら
れている。
一方、光中継伝送方式における中継間隔は送信出力と
受光感度のレベル差により決定されている。
したがって、中継間隔を延長するには光送信出力を増
大する方法と、受光感度を高感度化する方法がある。こ
のなかで光送信出力を増大させるには、直接強度変調さ
れた半導体レーザより出射した光を光増幅部を用いて増
幅する方法がある。光増幅部としては、半導体レーザ増
幅器と希土類添加光ファイバレーザ増幅器等が考えられ
る。半導体レーザ増幅器は、光源である半導体レーザと
の集積化が可能である点で、利点を有し、希土類添加光
ファイバレーザ増幅器は、伝送路である光ファイバや光
ファイバ部品と一体化が可能である点で利点を有してい
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の光中継器における約1mWの光送信出力を半導体
レーザ増幅器を用いて10mW以上に増大させることが考え
られる。ところが、前述の光増幅器は利得帯域幅はTHz
と広いものの、平均出力光パワーが1mWを越えると利得
飽和のため信号利得の減少が著しくなる。このとき、半
導体光増幅器では利得飽和の過渡応答時間、すなわちス
テップ状に変化する入力光信号に対して利得が定常状態
に達するのに必要な時間は数100psであることが知られ
ている。
したがって、スペース連続後のマーク信号光に対する
利得がマーク連続時の利得より大きくなる。そのため、
伝送信号が数100Mb/s以上のビットレートの時には、入
力信号光のパターンにより各光パルスに対する利得が異
なる結果、いわゆるパターン効果が生じ、伝送系の符号
誤り率を著しく増大させる。
また、希土類元素を添加した光ファイバ増幅器におい
ては、利得飽和の過渡応答時間は約10msから数100μs
と遅いためパターン効果は生じないが、信号系列のマー
ク率の変動に対して出力パワーのドリフトが生じてしま
う。
これらの理由から、光増幅器を用いて、パターン効
果、ドリフト等を生じさせず、光送信出力10mW以上の高
出力を得ることのできる光送信器の実現が望まれてい
る。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目
的とするところは、パターン効果や出力パワーのドリフ
トを生じない光送信出力10mW以上の高出力光送信器を提
供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明によれば上述の目的は、前記特許請求の範囲に
記載した手段により達成される。
すなわち、本発明は、単一縦モード半導体レーザを含
み出力光波の角度変調が可能な発光部と、電気信号を入
力し発光部出射光の強度を変化させずに光波の角度のみ
を変調するための前記発光部を駆動する電気回路と、前
記発光部より出力された角度変調光を増幅する光増幅部
と、該光増幅部より出力された光波の角度−振幅変換手
段とを具備する光送信器である。
第1図は、本発明の基本構成の例を示す図である。
同図の例では、単一縦モード半導体レーザ10を含み周
波数変調が可能な発光部11と、電気信号を入力し前記発
光部出射光の強度は変化させず光周波数のみを変調する
ための前記発光部を駆動するための電気回路12(図にお
いてはFM駆動回路と表示している)と、前記発光部より
出力されたFM変調光を増幅する光増幅器13と、前記光増
幅器13より出力されたFM変調光を入力し分岐回路14によ
り2等分した後、片方を遅延回路15により他方より遅延
させ再び合波回路16により合波する光周波数−振幅変換
部17とにより、上記の構成では周波数変調を採る場合に
ついて示しているが、これは周波数変調ではなく位相変
調であっても良い。いずれも光搬送波の角度を変調する
ことに変わりはないからである。
PM−AM変換回路として、マッハツェンダ干渉器を用い
て、PM−AM変換を行なうこともできる。
すなわち、単一縦モード半導体レーザを含み位相変調
が可能な発光部と、電気信号を入力し前記発光部出射光
の強度を変化させず光の位相のみを変調するための前記
発光部を駆動するための電気回路と、前記発光部より出
力された位相変調光を増幅する光増幅部と、前記光増幅
部より出力された位相変調光を入力し2等分した後、片
方を他方に比較して遅延させ再び合波する光位相−振幅
変換部より構成されている。
第2図は、希土類元素を光周波数−振幅変換部に添加
することにより、光増幅器と光周波数−振幅変換部を一
体化した例を示す図である。
すなわち、単一縦モード半導体レーザ20を含み周波数
変調が可能な発光部21と、電気信号を入力し前記発光部
出射光の強度は変化させず光周波数のみを変調するため
の前記発光部を駆動するための電気回路22(図において
はFM駆動回路と表示している)と、前記発光部21より出
力された周波数変調光の偏波面が主軸に対し45度で入力
されるよう配置された希土類元素添加偏波保存光ファイ
バ23と、その光ファイバ中に添加された希土類を励起さ
せる波長を有する光を発生する励起光源24と、その励起
光源より発生する励起光を前記光ファイバに入力させる
手段25と、前記光ファイバの出力光の内、主軸に対して
45度の偏波成分のみを通過するように配置されている偏
光子26により構成されている。
〔作用〕
単一縦モード半導体レーザとしては、電極分割形分布
帰還形半導体レーザ(DFB−LD)や電極分割形分布反射
形半導体レーザ(DBR−LD)等を用いることができる。
これらのLDは微小な注入電流の変化に対して、発振光強
度はほとんど変化せず、発振光周波数または位相のみを
大きく変化させる。
したがって、駆動回路としては、従来用いられている
通常のLD駆動回路でよい。光増幅器には、光強度は一定
で光の位相または周波数のみが変調されている光が入力
されるので光増幅器の利得が飽和した場合においても、
パターン効果が生じることはない。
また、FM−AM変換またはPM−AM変換光回路としては、
入力光を2等分し、片方に適当な時間遅延τを与え、そ
の後、他方と再び合波するマッハツェンダ形光干渉器を
用いることができる。
合波される直前の2つの電界E1,E2は、 と表わされるので、合波後の光強度Iは I=|E1+E22〜cos2(ωt/2) ……(3) となる。ただし、E0は増幅器出力光の電界強度である。
したがつて本干渉器は、入力される光の周波数ωによ
り透過率が変化するため、入力光の周波数変化を出力光
の強度変化に変換することができる。
本干渉器は偏波保存光ファイバとその出力端に置かれ
た偏光子によっても実現できる。この場合、光増幅器の
出力光の偏波方向を偏波保存光ファイバの主軸に対し、
45度に入射させれば、入力光は主軸と同じ偏波方向を有
する2つの光E1とE2に分離される。出力端における電界
は式(1)と(2)と同様に表わされるので、透過光偏
波が主軸に対し45度となるように配置された偏光子の透
過光強度はやはり式(3)と同様になる。入力電気信号
の振幅、発光部より出射された周波数変調された光の周
波数偏移量、周波数−振幅変換された後の光強度のタイ
ムチャートを第3図に示す。
第2図の例では、FM−AM変換、PM−AM変換のための偏
波保存光ファイバにレーザ媒質となるエルビウム、ネオ
ジウム等の希土類元素を添加することにより、偏波保存
光ファイバ自体を光増幅器としている。
すなわち、信号光より短波長の励起光により励起され
た希土類原子は信号光波長に対応する準位に反転分布を
形成するため、入力された信号光を誘導放出により光増
幅する。したがつて、光増幅とFM−AM変換またはPM−AM
変換が同時に行なわれる。
従来の技術との差異は、光増幅器を強度変調された光
に対して用いるのではなく、一定の光強度を有する周波
数変調または位相変調された光に対して用い、その後光
強度に変換する点にある。
このため、光増幅器を利得飽和が生じる高出力領域に
て用いても、入力光強度が一定であるため、入力信号パ
ターンによる利得変動を回避することができ、パターン
効果を生じせしめずに高出力光を得ることができる。
さらに、発光部のLDへは振幅数mAの微小電流の駆動で
十分であるため、従来の半導体レーザの光強度直接変調
法における振幅数十mAの大振幅駆動時に生じる活性層少
数キャリアの緩和によるダンピングを回避でき、LDの高
周波応答特性を改善できる。
さらに、駆動振幅が微小であるため駆動電気回路の負
担も小さく高速化に有利である等、従来の光送信器にな
い特徴がある。
〔実施例〕
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明す
る。
第4図は、本発明の一実施例を示す図である。
同図において、41は電極分割形DFB−LD、42はFM変調
駆動回路、43は半導体レーザ光増幅器(該増幅器の出力
光は同図に英字符Aで示すようになる)、44は偏波保存
形光ファイバ、45は同図に英字符Bで示しているように
偏波保存光ファイバの主軸に対し、45度の偏光を有する
光のみを通過するように配置された偏光子である。偏波
保存形光ファイバ44と偏光子45でFM−AM変換光回路を構
成する。電極分割形DFB−LD41は電極分割形DBR−LDでも
良い。FMーAM変換光回路では、入射光の偏波面を偏波保
存形光ファイバの主軸と45度に設定し、入射光パワーを
偏波保存光ファイバの2つの主軸に分離する。2つに分
離された入力光は、それぞれ異なる屈折率n1,n2を感じ
るため距離Lの地点における相互時間遅延量τは、 τ=L/C(n1−n2) である。ただし、Cは真空中の光速度である。距離L
における2つの主軸上の電界E1,E2は、 なので、ファイバ出力端に配置された、偏光子透過光強
度Iは、 I=|E1+E22〜cos2(ωt/2) となる。ただし、E0は増幅器出力光の電界強度である。
したがつて、クロック周波数f0を10GHz、周波数偏移
量を20GHzとすると、τは25psとなり、Lは約75mと決ま
る。
ただし、n1−n2を10-4とした。電極分割形DFB−LDのF
M変調効率は、通常5GHz/mA程度であるので、駆動電流振
幅は約4mAでよい。
端面反射率0.01%以下に抑えられた半導体レーザ増幅
器では、未飽和利得25dB、利得が未飽和利得から3dB低
下する光出力約7mA程度であるので、増幅器入力パワー
を0.1mWとすれば、利得20dB、光出力10mWを得ることが
できる。
同じ構成で位相変調方式を採ることもできる。位相変
調光の発生は単一縦モード半導体レーザの直接変調でも
可能であるし、電気光学効果を用いた外部変調器を使用
してもよい。位相変調から強度変調光への変換はFM−AM
変換回路と同じ構成において、あるタイムスロットの光
を一つ前のタイムスロットの光と干渉させればよい。
したがって、クロック周波数f0を10GHzとすると、相
対遅延量τは100psとなり、Lは300mと決まる。
第5図は本発明の他の実施例を示す図である。
同図において、英字符Aは偏波保存形光ファイバの入
力をまた、Bは偏光子54の出力を示している。本実施例
の場合も、第4図とほぼ同じ構成を採っているが、FM−
AM変換を行なう偏波保存光ファイバが光増幅器としても
働くため第4図の場合必要であった半導体光増幅器が不
要となる。また、51は電極分割形DFB−LD、52はFM変調
駆動回路、53は希土類の一つであるエルビウムを点かさ
れた偏波保存形光ファイバ、54は偏波保存光ファイバの
主軸に対して、45度の偏光を有する光のみを通過するよ
う配置された偏光子、55はエルビウム添加光ファイバ53
を励起し信号光に対して利得を生じせしめるための励起
光源であり、発振波長1.48μmの光出力半導体レーザを
用いることができる。励起光と信号光はダイクロイック
ミラー56により合波され、FM−AM変換・光増幅用エルビ
ウム添加偏波保存光ファイバに入力される。クロック周
波数を10GHz、周波数偏移量を20GHzとすると、偏波保存
光ファイバの長さは約75mと決まる。
励起光出力は100mW程度であるから、エルビウムの添
加濃度は約30ppm程度となる。このとき、光増幅器入力
光パワー1mWに対して、利得10dBとなるため、出力光パ
ワー10mWが得られる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、半導体レーザ
増幅器を利得飽和領域で用いてもパターン効果を生じせ
しめることなく高出力の光強度信号を得ることができ
る。
したがって、本発明は将来の光中継伝送システムにお
ける中継器への応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本構成の例を示す図、第2図は光増
幅器と光周波数−振幅変換部を一体化した例を示す図、
第3図は周波数−振幅変換された後の光強度を示すタイ
ムチャート、第4図は本発明の一実施例の構成を示す
図、第5図は本発明の他の実施例の構成を示す図であ
る。 10,20……単一縦モード半導体レーザ、11,21……発光
部、12,22……発光部を駆動するための電気回路、13…
…光増幅部、14……分岐回路,15……遅延回路、16……
合波回路、17……光周波数−振幅変換部、23……希土類
元素添加偏波保存光ファイバ、24……励起光源、25……
入力手段、26,45,54……偏光子、41,51……電極分割形D
FB−LD、42,52……FM変調駆動回路、43……半導体レー
ザ光増幅器、44……偏波保存光ファイバ、53……エルビ
ウム添加偏波保存光ファイバ、55……励起LD光源、56…
…ダイクロイックミラー
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H04B 10/16 (56)参考文献 特開 平3−9624(JP,A) 特開 昭62−287229(JP,A) 特開 平1−7727(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H04B 10/00 - 10/28

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】単一縦モード半導体レーザを含み出力光波
    の角度変調が可能な発光部と、電気信号を入力し発光部
    出射光の強度を変化させずに光波の角度のみを変調する
    ための前記発光部を駆動する電気回路と、前記発光部よ
    り出力された角度変調光を増幅する光増幅部と、該光増
    幅部より出力された光波の角度−振幅変換手段とを具備
    することを特徴とする光送信器。
  2. 【請求項2】光角度−振幅変換手段が、入力光の偏波面
    が主軸に対し45度で入力されるよう配置された偏波保存
    光ファイバと、前記光ファイバの出力光の内、主軸に対
    して45度の偏波成分のみを通過するように配置されてい
    る偏光子により構成されている請求項1記載の光送信
    器。
  3. 【請求項3】光角度−振幅変換手段が入力光を2分した
    後一方を特定量だけ遅延させ、再び合波する手段よりな
    る請求項1記載の光送信器。
  4. 【請求項4】偏波保存光ファイバとして希土類元素を添
    加した光ファイバを用いる請求項2記載の光送信器。
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