JP3140763B2 - 光伝送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は低コスト化を図ったディジタル光伝送装置に
関する。

（従来の技術） 光伝送装置は高速、長距離通信装置として重要な地位
を占めている。特に光源として半導体レーザを用いた場
合、電気による信号伝送では実用化困難な数ギガビット
の伝送が数十キロメートル以上の距離で実用化できるに
至っている。

近年、このような光伝送装置の高速性や、あるいは本
来の特徴の一つである耐電磁障害性等に着目し、近距離
の信号伝送においても光伝送を適用しようとする試みが
なされている。例えば高速ディジタル機器等のボード間
や架間等に光伝送を導入し、主要処理部門をギカビット
クラスで信号伝達させる試みがある。このような信号伝
送では伝送距離がそれほど長くはなく、例えば架間伝送
の場合で最長10m〜100m程度と光伝送装置の能力からは
ほとんど問題の生じない距離である。電気による信号伝
送においても、このような高速伝送は不可能ではない
が、しかしながら数ギガビットの信号を10m程度伝送す
る場合であっても容易に実用できる技術ではない。これ
は即ち、電気による信号伝送では信号線路の損失や誘導
雑音、又は接地線を接続することによるループ雑音等が
問題となり安く、また、ギャビットクラス伝送の可能な
電気ケーブルが大型化するため接続ライン数や実装形態
に制限が加わり易い等の理由による。

このような事情により、高速コンピュータ画像情報処
理機器等の高速ディジタル機器においてほとんど必然的
に光伝送装置の導入が検討されている。しかしながらこ
のような目的で光伝送装置を導入しようとした場合、そ
の装置価格が大きな障害となっている。以下、従来の光
伝送装置について価格低減が困難な事情を説明する。

一般の幹線系光伝送装置においてはギガビット毎秒ク
ラスの信号伝送に光源として半導体レーザがもちいられ
ている。ギガビットの信号伝送は発光ダイオード（Ligh
t Emitting Diode、以下LEDと記す）によっても可能で
あるが、LEDにおいては応答速度の主支配要素がキャリ
アの寿命時間である、このキャリア寿命を短縮するため
に高濃度の不純物添加等の操作を行う必要がある。この
場合キャリア寿命が短くなるため必然的にその発光効率
は低下する。また、キャリア寿命の短縮化操作は再現性
の確保が困難であり、LEDを用いた場合の実用的システ
ムは数百メガビット毎秒程度の伝送速度になっている。
一方、半導体レーザを用いた場合、誘導放出による応答
速度向上が容易であり、数ギガビット毎秒の光伝送装置
では半導体レーザを光源とするのが一般的である。しか
しながら半導体レーザを光源とする場合その装置価格の
低減が困難であり、前述したような高速ディジタル機器
への適用が難しい。その主な原因として、半導体レーザ
の特性不安定性がある。第７図に半導体レーザの特性例
を示す。図の特性折れ曲り点はしきい電流と呼ばれ、半
導体レーザが動作を開始する境界点である。

半導体レーザは温度によりそのしきい電流が変動し易
く、一般には自動的に光出力を制御するAPC（Actomatic
Power Control、以下APCと記す）回路が必要であり、
モニタフォトダイオード、比較較正回路等を必要とす
る。また半導体レーザは自己の発した光が反射により帰
還される動作の不安定性を引き起こし易い。このような
特性不安定性により半導体レーザを用いた装置ではAPC
回路のような付加機構や、光学系の無反射処理等の特別
な付加部品を必要とし、また、これらの組立て調整を精
密に行う必要があるため半導体レーザ素子の価格に比し
周辺部及びその組立て調整費用が膨大な価格となる。

ここで前述したような高速ディジタル機器への適用を
目的とした場合、その伝送距離が短いことを考慮した低
価格化が可能である。即ち、短距離伝送の場合送信光学
力が幹線系光伝送装置ほど大きい必要はなく、従って光
学系の大幅な簡略化が可能であり、また、半導体レーザ
の出力光を一部だけ光ファイバに導入すれば良いため、
半導体レーザと光ファイバを直接結合させて用いること
が可能になる。このため、光学系に特別なレンズ等を用
いる必要がなく、半導体レーザと光ファイバを適度な距
離をおいて直接結合させれば良いため光学部品コスト及
びその調整コストの大幅な低減が可能になる。また、半
導体レーザからの出力光は20゜〜30゜程度の拡がり角を
もつため光ファイバの位置合せトレランスに大きな許容
幅が得られるようになる。このため精密な位置合せが不
要になり、組立時の調整が粗調整で良いため組立コスト
の低減も可能になる。

このように短距離用光伝送装置では光学系に関する低
価格化が可能であるが、しかし依然として温度による特
性変動は解決されていない。そこで温度による特性変動
を抑圧する方法として、半導体レーザのしきい電流を非
常に小さくして駆動電流をしきい電流に対して相対的に
大きくする方法が試みられている。例えば半導体レーザ
のしきい電流を5mA以下まで低減し、駆動電流を50mA以
上とすればしきい電流の温度による変動は実質的に無視
することができる。この方法では前述したAPC回路等の
付加部品を削減でき、またそれに伴なう回路的調整作業
を省くことができる。このように低しきい値電流の半導
体レーザを用い、短距離伝送に用途を限定した光伝送装
置が実用化されれば従来の光伝送装置にはない大幅は低
コスト化が図れ、超高速ディジタル機器の実現が容易と
なって産業上の貢献は非常に大きい。

しかしながら上記のような光伝送装置では実用上別の
問題が生じるという困難があった。即ち、低しきい値電
流の半導体レーザを用いてAPC回路等の付加回路を省い
た場合、必然的に半導体レーザのバイアス制御ができな
くなり、所謂零バイアス変調を行わなければならない。
この零バイアス変調においてはよく知られた発振遅れ時
間が問題となる。第８図は半導体レーザのパルス変調光
出力を模式的に示したものであり、破線で示した波形は
しきい電流近傍又はそれ以上に直流バイアス電流を加え
た場合の一般的変調波形、実線は直流バイアス電流を加
えない場合の変調波形である。図から分かるように所謂
零バイアス変調においてはしきい電流値及び駆動電流値
及び駆動電流値が関与した立上り部での発振遅れを生じ
る。この発振遅れはしきい電流値相当のキャリア充満が
行われるまでの時間と考えれば良く、単一パルスによる
変調の場合ほぼ同じ値となる。実際の信号の場合、パル
ス列の並びはランダムとみなす必要がありパルス列のパ
ターンによって発振遅れ時間が変動することも知られて
いる。この原因は前のパルスが“0"が“1"かにより半導
体レーザ内に残る残留キャリアのレベルが変動すること
にある。このため残留キャリアの多い場合は等価的に直
流バイアスを与えておいた場合に近くなり、発振遅れ時
間が短くなるのに対し、残留キャリアが少い場合純粋な
零バイアス変調に近くなり発振遅れ時間が長くなる。こ
の現象パターン効果と呼ばれ、零バイアス変調における
立上りジッタとして知られている。この立上りジッタは
伝送信号の識別誤りを引き起こし、光伝送装置の信頼性
を低下させる大きな問題であった。

従来、このような立上りジッタを防止するためパルス
変調信号の立上り部に短パルスを付加する方法やパルス
変調信号の立下り部にインダーシュートを加えて強制的
に残留キャリアを引出す方法がとられていた。しかしな
がら従来このような方法を用いるため半導体レーザの駆
動回路が複雑化し、結果として光伝送装置の価格を再び
上昇させるという逆効果を生じていた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明はこのような従来技術の問題を考慮して成さ
れ、非常に単純な付加要素により零バイアス変調による
立上りジッタを減少させ、また受信回路での立上りジッ
タの影響を抑制して高品質信号伝送を可能としながら非
常に低価格な光伝送装置の提供を目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明では半導体レーザの零バイアス変調を行う際、
半導体レーザへの入力パルスの立上り微分信号をパルス
に合成してパルス変調を行う。また、その光受信におい
ては光パルス立下り部での立下り微分信号を形成し、立
下り微分信号を用いて受信状態の設定を行うものであ
る。

（作用） 本発明によれば非常に単純な付加要素により半導体レ
ーザ零バイアス変調における立上りジッタを抑制するた
め装置価格の上昇を抑えながら高性能な光伝送装置が実
現でき、また、光受信において光パルス立下り部の微分
信号を用いて受信状態の設定を行うためほぼ同等の装置
価格のままで半導体レーザ零バイアス変調による伝送品
質の低下を抑制することができる。

（実施例） 以下図面を参照しながら本発明実施例の説明を行って
いく。

第１図は本発明の第１の発明の光伝送装置の光伝送部
を示す構成ブロック図である。１は半導体レーザ、２は
駆動回路、３は微分回路、４は半波整流回路、５は入力
バッファー回路、６は信号入力端子である。それぞれの
機能としては、バッファー回路５は入力信号線路又は信
号発生回路に対して入力インピーダンスの整合を行い、
駆動回路２、微分回路３の影響を逆流させないためのも
のであり、例えばインピーダンス変換回路や緩衝増幅器
を用いる。微分回路３は入力パルス信号の微分信号を発
生させるものであり、CR回路、LR回路等を用いて最小パ
ルス幅以下の時定数、例えば最小パルス幅の1/4以下の
時定数に設定する。半波整流回路４は入力パルス微分信
号の一方を取出す回路でありダイオードやトランジスタ
のベース入力特性を利用して半導体レーザ入力パルスの
立上り部に相当する極性の微分信号を取り出す。駆動回
路２は半導体レーザの駆動信号発生器であり、入力パル
ス信号を半導体レーザの駆動レベルの信号に変換する。
また駆動回路２は入力ルス信号に応じた駆動信号の発生
と同時に半波整流回路４の出力を合成して出力するよう
に構成し、例えば差動増幅回路の一方の入力端子に入力
パルス信号を印加し、逆位相の入力端子又は定電流発生
部に半波整流回路出力を接続する。第２図は第１図構成
における主要部信号波形を模式的に示したものである。
第２図（ａ）は入力パルス波形又はバッファー回路出力
波形、同図（ｂ）は半波整流回路４の出力波形で破線は
微分回路３の出力波形のうち半波整流回路で除去された
波形、同図（ｃ）は駆動回路２から出力される波形、同
図（ｄ）は半導体レーザ１からの光出力波形である。こ
れらの図から明らかなように、本発明では入力パルスに
立上り微分信号を合成して半導体レーザの駆動を行う。
勿論このとき半導体レーザ１への直流バイアス電流は与
えず、バイアスフリーでの駆動を行う。この結果本発明
実施例の光伝送装置では半導体レーザ１の駆動がバイア
スAPCを用いない駆動となり、しかも極簡単な回路付加
により半導体レーザ駆動信号の立上り部に短いパルスを
付加することができる。従って半導体レーザの立上り部
の電流拡幅が大きくなり零バイアス変調による発振遅れ
時間短縮が容易でありパターン効果による立上りジッタ
を最小限に抑制することが可能となる。また、信号立上
り部に付加する短いパルスが微分信号であるため、半導
体レーザのキャリア寿命に起因する内部キャリア密度の
立上り時定数を打ち消すように微分信号時定数を設定す
ることが可能である。この場合、実質的な半導体レーザ
内部キャリア密度立上り時間を直流バイアス電流が与え
られている場合と同等にすることができる。ここで第１
図に示した本発明実施例が極簡単な回路付加により実施
できることを具体的に示す。第３図は第１図実施例の微
分回路３、半波整流回路４を具体化した回路構成図であ
る。第３図３の微分回路はCR微分器、４は半波整流回路
はダイオードで構成できる。これらの回路素子は特に外
部付けする必要がなく、集積化が容易な素子であるため
駆動ICとして１つのICチップ内に設けることができる。
また、バッファー回路５は通常の駆動回路における入力
バッファースイッチ回路をそのまま用いれば良く、本発
明のため特に新しく設けるのではなく、実用的に用いら
れている通常の半導体レーザ駆動回路の一部である。従
って、本発明の実施には回路設計の際、受動素子をわず
かに付加するだけで良く、大幅な回路変更等は不要であ
る。

次に、本発明の第２の発明について実施例を示す。第
４図は本発明光伝送装置の光受信部を示す構成ブロック
図である。７は受光素子でたとえばPINフォトダイオー
ド、８は前置増幅器で例えばトランスインピーダンスア
ンプ、９は主増幅器、10はディジタル信号再生のための
識別回路、11は微分回路、12は半波整流回路、13は受信
レベル検出回路で識別回路10のしきい信号レベルを制御
する機能をもつ。また14はデータ出力端子である。この
実施例では13のレベル検出回路と10の識別回路により識
別レベルを自動制御する所謂自動しきい値制御（Automa
tiv Threshold Control、以下ATCと記す）回路として機
能することができる。このとき微分回路11及び光波整流
回路12はレベル検出回路のレベル検出タイミングを発生
するものであり、受信光パルスの立下り部で入力パルス
の微分信号を抽出する。13のレベル検出回路は半波整流
回路12の出力に同期してレベル検出を行うようにする。
このとき光波整流回路出力は光信号の“ON"状態から“O
FF"状態に変化するときに発生するためそのままでは“O
N"状態のレベル検出ができない。そこでレベル検出回路
13では例えば小信号パルス周期より短いサンプリング周
期（例えば最小信号パルス周期の1/4）でピークホール
ドを行い、半波整流回路12からの出力があった時点のホ
ールド値で識別しきい値を決定、出力するようにすれば
良い。このように構成、機能させることにより、識別し
きい値が光信号の立下り直前の値で決定され、以下のよ
うに利点が現われる。即ち、第８図実線で示したよう
に、半導体レーザの零バイアス変調を行った場合では前
述した発振遅れ時間の他に発振立上り部での光出力の振
動現象が現れ易い。これは半導体レーザ内部で所謂Ｑス
イッチングが行われ、キャリア密度及び光子密度の急激
な変動が起り、キャリア密度と光子密度の相互作用によ
る所謂緩和振動が現われるためである。この緩和振動は
キャリア寿命程度の時間で収束しておさまるが、この間
光出力がスパイク状に増大することが多い。従ってこの
緩和振動の現われている時間内に受信レベルの検出を行
うことは誤った受信レベルの検出を行うことが多く、半
導体レーザの零バイアス変調における大きな問題の１つ
になっている。第４図に示した本発明実施例では光パル
スの立上り部をさけ、光パルス立下り部をトリガとして
受信レベルの検出を行う。このため本発明の光伝送装置
では半導体レーザが零バイアス変調であることによる受
信誤りを抑制し、通常のバイアスを用いた変調方式と同
等の伝送品質を確保することができる特徴をもってい
る。第５図は第４図実施例による信号波形を模式的に示
したものであり、ランダムなパターンを重ね合わせた所
謂アンパターンで示してある。第５図（ａ）は主増幅器
からの出力波形、同図（ｂ）は半波整流器出力である実
線が出力波形、破線は除去された立上り部微分波形値同
図（ｃ）は14からの出力波形である。第５図（ａ）から
わかるように零バイアス変調を行った半導体レーザ出力
を受信した場合、光パルス立上り部で発振遅れ時間のパ
ターン効果による立上りジッタや緩和振動による信号ス
パイクが現われている。

この光パルス立上り部をさけてレベル検出することで
適正なレベル検出を行えることが理解されるであろう。
なお、第４図実施例では半波形整流回路12の出力をトリ
ガとしてレベル検出を行ったがこれは半波整流回路12の
出力を平均化して行ってもよい。また第５図（ｂ）から
分かるように半波形整流回路12の出力は安定な周期性を
もっており、受信タイミングやクロック等の抽出に利用
することもできる。

第６図は本発明実施例の他の例を示す構成ブロック図
であり、ここでは主増幅器９′の利得制御を第４図実施
例と同様な原理で行った実施例である。またこの実施例
においては微分回路11の出力を半波整流回路12と15に分
配し、全波整流回路15の出力をタイミング抽出回路16へ
入力して識別タイミングの抽出を行う例を付加してあ
る。

このような構成ではクロックの再生も容易であり、ク
ロック出力端子17を設けることも可能である。

以上説明してきたように本発明では半導体レーザの零
バイアス変調を行っても通常のバイアス方式の変調の場
合と同等の伝送品質の確保が可能であり、短距離光ディ
ジタル伝送装置として前述した光学系の簡略化と合せて
部品コスト、組立てコスト、調整コストを大幅に削減し
て非常に低価格な高速光伝送装置が実現できる特徴をも
っている。なお、本発明は前記実施例に限定されるもの
ではなく、例えば第１、第２の発明を同時に併用できる
ことは勿論、それぞれの詳細回路、仕様部品等について
各種の応用が可能なことは述べるまでもないことであ
る。

［発明の効果］ 本発明は半導体レーザを光源とする高速光伝送装置の
大幅な低コスト化に有効であり、超高速ディジタル機器
等の構築が容易となるための産業上の貢献度が高いとい
う効果をもっている。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明実施例に関する図、第７図、
第８図は従来技術及び半導体レーザの一般的特性を説明
するための模式図である。 １……半導体レーザ、２……駆動回路、 3.11……微分回路、4.12……半波整流回路 5.……入力バッファー回路、７……フォトダイオード、 8.……前置増幅器、9.……主増幅器、10……識別回路 13.……レベル検出器

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−146439（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−33983（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−204552（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−125152（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 10/152 H04B 10/04 H04B 10/06 H04B 10/142 H01S 5/00 - 5/50

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザを光源とし、該半導体レーザ
   への直流バイアス電流を与えずにパルス信号変調を行う
   光伝送装置において、前記半導体レーザへ入力するパル
   ス信号を最小パルス幅の1/4以下の時定数で微分し且つ
   半波整流して立上り微分信号を形成するとともに該立上
   り微分信号と前記半導体レーザへ入力するパルス信号を
   合成し、該合成した信号により前記半導体レーザを無バ
   イアスでパルス信号変調することを特徴とする光伝送装
   置。
2. 【請求項２】半導体レーザを光源とし、該半導体レーザ
   への直流バイアス電流を与えずにパルス信号変調を行う
   光伝送装置において、光受信部で光パルスを微分し且つ
   半波整流して立下り部に相当する立下り微分信号を形成
   するとともに該立下り微分信号を用いて受信条件の設定
   を行うことを特徴とする光伝送装置。