JP3146089B2

JP3146089B2 - 分散補償光増幅中継器

Info

Publication number: JP3146089B2
Application number: JP09315393A
Authority: JP
Inventors: 隆司水落; 忠善北山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-04-20
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JPH06311114A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光ファイバの分散に
より劣化した波形を補償する機能を有する光増幅中継器
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高性能の光増幅器が開発されるようにな
り、高速かつ長距離の光中継伝送システムが実現しつつ
ある。このようなシステムでは光ファイバの分散による
波形歪みでシステム性能が著しく劣化することが問題と
なる。そのため伝送速度や距離がおのずと制限されてし
まい、通信コストを増大させることにつながる。この問
題は、現在最も広く使用されている１．３μｍ帯に零分
散波長を有する光ファイバに１．５５μｍの光信号を伝
送するときに顕著になる。光ファイバの分散により劣化
する波形を補償する技術には、事前に送信側のレーザに
通常とは逆方向のチャーピング（周波数偏移）を与える
ことにより、ファイバで波形が劣化するのを補償する第
１の方法や、受信側で分散補償ファイバを通すことによ
り逆の分散を与える第２の方法や、伝送路の途中の中継
器で位相変調を行うことによる第３の方法などが提案さ
れている。第１の方法は例えば逸見直也、洲崎哲行、
「光通信装置」特開平３−１７１９４１に、第２の方法
は例えば水落隆司、北山忠善、「光ファイバ遅延等化
器」特開平３−２１１５３０に詳しく示されている。第
３の方法は例えば、青木恭弘、春原禎光「光ファイバ通
信方法およびシステム」特開平３−１７１０３６や高野
勇、川端充、小山朋子「光予等化１Ｒ中継器の検討」１
９９２年電子情報通信学会春季大会、Ｂ−９２８に詳し
く示されている。図１１は、第３番目の文献に示された
従来の光中継器のブロック図である。図において、１６
は信号光、１７は増幅された信号光、７は光分岐回路、
３は受光回路、１１０は光増幅器、１１１はチャープ信
号生成回路、１１２は外部位相変調器である。

【０００３】この動作について説明する。光信号１６
は、光増幅器１１０により伝送路損失を補償された後、
外部位相変調器１１２に入力される。外部位相変調器１
１２ではファイバの分散を補償するように、適当な位相
変調を増幅された光信号に与える。位相変調信号はチャ
ープ信号生成回路１１１により生成される。外部位相変
調器に与える位相変調量は光ファイバの総分散量によっ
て決定される。図１２は、この原理を簡単に説明するも
のである。送信光源であるレーザダイオード（Ｌａｓｅ
ｒＤｉｏｄｅ；ＬＤ）を図１２（ａ）に示す変調電流
にて直接変調するとチャーピングが発生することはよく
知られている。これは、図１２（ｂ）に示すように、パ
ルスの立上がり部分で光の周波数が高く、逆に立ち下が
り部分では周波数が遅くなる現象で、この様な光パルス
を光ファイバに伝搬させると、図１２（ｃ）に示すよう
に、分散の影響によりパルスの前方はより早く進み、後
方はより遅く進むことになる。つまり、波形が広がって
しまうことになる。従来例は、図１２（ｄ）に示すよう
に、外部位相変調器によりパルスの前方の周波数を低
く、後方の周波数を高くするもので、分散をキャンセル
するだけのチャーピングを与えるものである。このよう
にすれば、図１２（ｅ）に示すように、ファイバ伝搬後
も波形が劣化しない。

【０００４】これとは別に光中継器の利得をスイッチす
ることで、光信号のうち分散により広がった部分を切り
取り、波形を振幅を整形する方法が考えられている。こ
の方法は洲崎哲之「光波形整形方法及び光波形整形装
置」特開平２−３６５８１に示されたもので、半導体光
増幅器のバイアス電流を入力信号のモニタ電流から生成
した駆動電流でスイッチすることにより、半導体光増幅
器の利得をスイッチし、余分に広がった部分を切り取り
所望の波形に整形するものである。この方法で中継伝送
距離を約３倍に延ばすことができる。この方法の問題点
は、波形を切り取ることによって有効な信号成分を捨て
てしまうため、光波形の信号対雑音比が本来光増幅器の
自然放出光できまる劣化以上に悪くなってしまうことで
ある。これは最大中継伝送距離を短くしてしまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の方式では、中継
器の中に外部位相変調器を設ける必要があった。また光
増幅器の利得をスイッチする方法もそうであるが、これ
らは、余分な光損失を伴うためシステムの信号対雑音比
（Ｓ／Ｎ比）を劣化させるという課題があった。また、
外部位相変調器を設けることは、中継器を複雑にし、信
頼性やコストの面で不利になるという課題があった。

【０００６】本発明はかかる課題を解決するためになさ
れたもので、Ｓ／Ｎを劣化させないで、また外部要素を
少なくして逆チャープする装置を得ることを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る分散補償
光増幅中継器は、周波数チャープと光増幅を同一の半導
体で同時に行う光増幅中継器の構成において、光増幅中
継器の電極を２つ以上の電極に分け、この分割した一方
の電極には所定のバイアス電流と生成したチャープ信号
とを加算した信号を印加し、分割した他の電極には、チ
ャープ信号の位相を概略反転させた位相として信号印加
するようにした。また更に、一部の電極をフォトダイオ
ードとして用い、このフォトダイオードで検出した信号
に基づいてチャープ信号を生成するようにした。

【０００８】

【作用】この発明における分散補償光増幅中継器は、入
力光の極一部が分散検出に用いられ、２つ以上に分けた
電極の光出射側の電極には所定のバイアス電流と生成し
たチャープ信号とを加算印加し、他の分離電極には、チ
ャープ信号の位相を概略反転させて、強度変調成分を打
ち消すようにする。また更に、フォトダイオードとして
の一部の電極で検出した信号に基づいてチャープ信号が
生成される。

【０００９】

【実施例】実施例１．まず、本発明の最も基本的な適用
例を説明する。図１は発明の第１の実施例を示す構成図
である。図において、１は半導体光増幅器、２は電極、
３、１１、１２は受光回路、４はチャープ信号生成回路
である。５は加算回路、６はバイアス回路、７、８は光
分岐回路、９、１０は光アイソレータ、１３、１４は監
視制御回路、１５は自動光出力制御回路、１６は中継前
の信号光、１７は中継後の信号光である。

【００１０】次に、動作について説明する。信号光１６
は光分岐回路７で分岐され一部、例えば１０分の１は受
光回路３に、また他の大部分は光アイソレータ９を通じ
て半導体光増幅器１に入射される。受光回路３に接続さ
れたチャープ信号生成回路４は、信号光１６の検波電流
からチャープ信号を生成し、加算回路５を通じて半導体
光増幅器１に印加する。チャープ信号を注入された半導
体光増幅器１は光パルスの立上がり部分で周波数が低
く、立ち下がり部分で周波数が高くなるように変調され
る。監視制御回路１３は、受光回路３から抽出した上流
からの監視信号を終端し、応答信号を発生するものであ
る。また監視制御信号１４は下流で発生した障害を受光
回路１１で検出し、それに応じた処置を行うための信号
を発生する回路である。中継器出力は受光器１２で一部
がモニタされ、例えば出力レベルが一定になるように自
動出力制御回路１５によって半導体光増幅器のバイアス
電流が調整される。

【００１１】図１の主要部分の等価回路（実現回路例）
を図２に、また、各部の波形を図３に示す。図２におい
て、２０はｐｉｎフォトダイオード、２１はトランスイ
ンピーダンスアンプ、２２は微分回路、２３は遅延素
子、２４はバイアスティー、２５は可変電流源、２６は
フォトカレントである。また図３において、（ａ）はフ
ォトカレント２６、（ｂ）はトランスインピーダンスア
ンプ２１の出力電流、（ｃ）は微分回路２２の出力電
流、（ｄ）は半導体光増幅器１の出力光波形、（ｅ）は
半導体光増幅器１の出力光の周波数を表したものであ
る。

【００１２】動作を説明する。光分岐回路７で信号光１
６の一部が分岐され、分岐先はｐｉｎフォトダイオード
２０に入力され、フォトカレント２６に変換される。フ
ォトカレント２６は、トランスインピーダンスアンプ２
１で増幅、反転され、微分回路２２に入力される。その
後、遅延素子２３で位相を調整される。ここでの電流を
本発明では、チャープ信号と呼んでいる。チャープ信号
は、バイアスティー２４で可変電流源２５から発生した
バイアス電流と加算され、半導体光増幅器に注入され
る。半導体光増幅器にチャープ信号が注入されると、電
流に応じて光周波数が変化する。これは、半導体光増幅
器に電流が注入されると、活性層のキャリア密度が変化
し、それに伴って屈折率が変化するため、出力光の周波
数が変化する「キャリア効果」と呼ばれる原理を利用し
たものである。周波数の変化の方向を、光源で発生した
チャーピングと逆の方向にし、大きさを、ファイバから
受ける分散をキャンセルするだけの量にすると、結果と
して、受信端で波形は広がらないことになる。いま、送
信ＬＤで発生したチャーピングをキャンセルするために
必要な、トランスインピーダンスアンプの利得を以下で
示す。チャーピングを伴う信号光の電界ｅ₀（ｔ）を式
（１）で表す。

【００１３】

【数１】

【００１４】ここでＰ₀は光パワー、ω₀は光角周波数
信号、θ₁は送信ＬＤでの強度変調と周波数変調（チャ
ーピング）の位相差、φは光の初期位相である。信号は
簡単のため角周波数ω_sの余弦波とした。このとき、ｅ
₀（ｔ）の瞬時角周波数ν₁は式（２）で表される。

【００１５】

【数２】

【００１６】一方、光／電気変換後のフォトカレントｉ
（ｔ）は式（３）で与えられる。式（３）で、ｓは受光
器の感度を表す。フォトカレントは、Ａ倍の利得を与え
られ、反転微分されチャープ信号となる、これは式
（４）で表される。また、半導体光増幅器の周波数変調
感度をβ₂ とすると、出射光の瞬時光角周波数は式
（５）で与えられる。目的はチャーピングをキャンセル
ことである。これは式（６）で表される。式（５）と式
（６）から次の式（７）が重要である。

【００１７】

【数３】

【００１８】即ち、式（７）が満足されればチャーピン
グをキャンセルできることがわかる。ここで、利得Ａは
入射光パワーＰ₀の関数であるので、入力レベルに応じ
てＡを可変しなければならないことが判る。そのため
に、トランスインダンスアンプの次段に可変利得増幅器
を用いるのが好ましい。実際の光増幅中継伝送システム
では、送信のＬＤで発生したチャーピングをキャンセル
するだけでなく、さらに深い逆チャープを与える。この
場合、中継器を出た信号光は、ファイバの分散で、一時
的に波形が時間軸上で圧縮されるが受信端で再び広が
り、もとの波形になる。また、β₂は中継器でモニタす
ることが難しいためシステム敷設時に設定するが、経時
変化があった場合のことを考えて中継器で与える逆チャ
ープを大きめにすることもできる。逆チャープをかけす
ぎた場合、むしろ伝送特性がよくなることはT.Saito
他，”Prechirp technique fordispersion compensatio
n for a high-speed long span transmission，”IEEEP
hotonics Technology Letters,vol.3,No.1,1991. によ
り知られている。

【００１９】実施例２．半導体光増幅器として電極を複
数に分割したものを用いると、より効果的に分散補償が
行える。図４は複数に分割された電極を有する半導体光
増幅器を用いた発明の実施例である。図において４０は
２電極半導体光増幅器、４１は第１の電極、４２は第２
の電極、４３はチャープ信号生成回路、４４はバイアス
回路である。第１の実施例と異なる点は、バイアス電流
は第１の電極、第２の電極それぞれに分割して注入さ
れ、チャープ信号は光が出射するほうの第２の電極に印
加されることである。

【００２０】実施例１のように電極が単一の半導体光増
幅器では、周波数変調特性が平坦でなく、数ＭＨｚ付近
で感度が著しく低下し、変調波形が歪むという問題があ
る。これは、変調周波数が低い領域では熱の効果により
レッドシフト（電流増加に対して長波長側に光周波数が
偏移する）が起こるのに対して周波数の高い領域ではキ
ャリアの効果によりブルーシフト（電流増加に対して短
波長側に光周波数が偏移する）が起こり、この２つの効
果は位相が１８０°異なるため両者がクロスオーバーす
る周波数領域では打ち消しあうことに起因する。ところ
が、電極が２つに分割されると、活性層内で軸方向にキ
ャリア密度が大きく変化するため低周波領域から高周波
領域まで平坦な変調特性が得られるようになる。この原
理は半導体レーザでは良く知られているが、本発明で
は、半導体光増幅器に対応しても適用し、同様の効果を
得ている。

【００２１】実施例３．更に他の適用例を説明する。つ
まり、半導体光増幅器として電極を３つに分割したもの
を用いた例で、図５示す実施例である。図において、５
０は３電極半導体光増幅器、５１は第１の電極、５２は
第２の電極、５３は第３の電極、５４はチャープ信号生
成回路、５５はバイアス回路である。このように電極を
３分割し、チャープ信号を第１の電極５１と第３の電極
５３の両方から注入すると、より効率的に逆のチャーピ
ングを発生させることができる。

【００２２】実施例４．更に他の実施例を説明する。図６は第４の実施例を示す
図である。図において６０は２電極半導体光増幅器、６
１は第１の電極、６２は第２の電極、６３は可変減衰
器、６４は移相器、６５はバイアス回路である。第２の
実施例では、２電極半導体光増幅器の光が出射する側の
電極にのみチャープ信号を印加する構成とした。この場
合、周波数変調だけでなく、微小な強度変調まで発生
し、波形を振幅方向に歪ませる原因となる可能性があ
る。しかし、図６に示すように、第１及び第２両方の電
極に位相および振幅を調整して印加すれば、強度変動成
分を完全にキャンセルしつつ、純粋な周波数変調が行え
る。実験により、両方の電極に注入するチャープ信号の
位相をおよそ反転させたとき、強度変動成分がほぼキャ
ンセルできることを確認している。

【００２３】実施例５．更に他の実施例を説明する。図７は第５の実施例を示す
ブロック図である。ここで用いる半導体光増幅器は第２
の実施例で述べたのと同様の２電極構成のものである
が、ここでは第１の電極をフォトダイオードとして用い
るのが特徴である。半導体光増幅器に変調された信号光
を入射すると信号光は吸収されると同時に電子−正孔対
が生成されフォトカレントとなり、電極から取り出せ
る。したがって、入射した信号光は外付けの光分岐回路
を必要とせずに電気信号に変換される。

【００２４】図８は第５の実施例の等価回路を表したも
のである。図において７０は２電極半導体光増幅器、８
１は第１の電極部分に相当するフォトダイオード部、８
２は第２の電極に相当する光増幅部、７３はフォトダイ
オード部のバイアス回路である。入射された信号光１６
は、まずフォトダイオード部８１でわずかに吸収され、
フォトカレントを発生する。発生したフォトカレントは
トランスインピーダンスアンプ２１で増幅、反転されチ
ャープ信号発生回路４で微分、位相調整され加算回路５
を通じて光増幅部８２に注入される。光増幅部８２では
光増幅とともに逆チャープのための周波数変調がなされ
る。フォトダイオード部８１が順バイアスされると、キ
ャリア寿命で決まる時間で応答速度が制限される。これ
は通常１ＧＨｚ以下であるのでそれ以上の高速応答を必
要とする場合適当でない。したがってフォトダイオード
部８１は逆バイアスするのが望ましい。ただ、この場
合、信号光の吸収の度合いが大きくなる。光増幅器の入
力部に吸収損失があると、信号対雑音比を著しく劣化さ
せるため好ましくない。

【００２５】実施例６．本実施例は、実施例５における
吸収の度合いを小さくしたものである。即ち、この部分
の作用長をできるだけ短くし、吸収損失を小さく抑える
か、もしくは前段に光増幅部を設けた３電極構成にする
とよい。図９は第６の実施例を示すブロック図である。
これは第５の実施例の構成の半導体光増幅器を３電極構
成にし、フォトダイオード部の前段に光増幅部を設ける
構成としたものである。図において９０は３電極半導体
光増幅器、９１は光増幅部となる第１の電極、９２はフ
ォトダイオード部となる第２の電極、９３は光増幅およ
びチャープ部、９４はバイアス回路である。入射した光
信号１６は第１の電極９１の部分で十分増幅され、その
後第２の電極の部分（フォトダイオード部）で吸収され
る。増幅器としては、初段の利得が十分大きいので吸収
損失による信号対雑音比の劣化が最小限に抑えられる。

【００２６】実施例７．図１０は第４の実施例と第５の
実施例を組み合わせたものである。図において１００は
３電極半導体光増幅器、１０１は第１の電極、１０２は
第２の電極、１０３は第３の電極、１０４はバイアス回
路である。入射された信号光１６は第１の電極１０１
（フォトダイオード部）で吸収され、フォトカレントを
発生し、これによりチャープ信号を生成する。生成され
たチャープ信号は第２の電極と第３の電極に振幅と位相
を違えて注入され、第５の実施例で述べたように強度雑
音がキャンセルされ周波数変調だけの逆チャープが発生
できる。

【００２７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、２つ以
上の電極に分け、一方の電極にはバイアス電流とチャー
プ信号とを加算した信号を印加し、他の電極には、逆位
相のチャープを行うので、強度変調成分をキャンセル出
来る効果がある。また更に、一部の電極をフォトダイオ
ードとして用いてチャープ信号を生成するので、簡易に
分散補償ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光増幅中継器の第１の実施例を示すブ
ロック図である。

【図２】本発明の光増幅中継器の第１の実施例の等価回
路図である。

【図３】本発明の光増幅中継器の第１の実施例の動作を
説明するための補足図である。

【図４】本発明の光増幅中継器の第２の実施例を示すブ
ロック図である。

【図５】本発明の光増幅中継器の第３の実施例を示すブ
ロック図である。

【図６】本発明の光増幅中継器の第４の実施例を示すブ
ロック図である。

【図７】本発明の光増幅中継器の第５の実施例を示すブ
ロック図である。

【図８】本発明の光増幅中継器の第５の実施例の等価回
路図である。

【図９】本発明の光増幅中継器の第６の実施例を示すブ
ロック図である。

【図１０】本発明の光増幅中継器の第７の実施例を示す
ブロック図である。

【図１１】従来の光増幅器の例を示すブロック図であ
る。

【図１２】従来例の動作を説明するための補足図であ
る。

【符号の説明】

１半導体光増幅器２電極３，１１，１２受光回路４チャープ信号生成回路５加算回路６バイアス回路７，８光分岐回路９，１０光アイソレータ１３，１４監視制御回路１５自動光出力制御回路１６中継前の信号光１７中継後の信号光２０ｐｉｎフォトダイオード２１トランスインピーダンスアンプ２２微分回路２３遅延素子２４バイアスティー２５可変電流源２６フォトカレント４０２電極半導体光増幅器４１第１の電極４２第２の電極４３チャープ信号生成回路４４バイアス回路５０３電極半導体光増幅器５１第１の電極５２第２の電極５３第３の電極５４チャープ信号生成回路５５バイアス回路６０２電極半導体光増幅器６１第１の電極６２第２の電極６３可変減衰器６４移相器６５バイアス回路７０２電極半導体光増幅器７０２電極半導体光増幅器７３フォトダイオード部のバイアス回路８１第１の電極部分に相当するフォトダイオード部８２第２の電極に相当する光増幅部９０３電極半導体光増幅器９１光増幅部となる第１の電極９２フォトダイオード部となる第２の電極９３光増幅およびチャープ部９４バイアス回路１００３電極半導体光増幅器１０１第１の電極１０２第２の電極１０３第３の電極１０４バイアス回路１１０光増幅器１１１チャープ信号生成回路１１２外部位相変調器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０４Ｂ 10/18 (56)参考文献特開平３−171036（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−50790（ＪＰ，Ａ) 特開平４−25824（ＪＰ，Ａ) ＰＡＹａｚａｋｉｅｔａｌ、 “ＣｈｉｒｐｉｎｇＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎＵｓｉｎｇａＴｗｏ−ＳｅｃｔｉｏｎＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ”、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＩＥＥＥ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ 1992，Ｎｏ．10，Ｖｏｌ９，ｐ1247−1255 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/28 H04J 14/00 - 14/08 H01S 3/094,5/30 H01S 5/40,5/50 G02F 1/00 - 1/125

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周波数チャープと光増幅を同一の半導体
で同時に行う光増幅中継器の構成において、上記光増幅中継器の電極を２つ以上の電極に分け、該分
割した一方の電極には所定のバイアス電流と生成したチ
ャープ信号とを加算した信号を印加し、分割した他の電
極には、上記チャープ信号の位相を概略反転させた位相
として信号印加するようにしたことを特徴とする分散補
償光増幅中継器。
【請求項２】一部の電極をフォトダイオードとして用
い、該フォトダイオードで検出した信号に基づいてチャ
ープ信号を生成するようにしたことを特徴とする請求項
１記載の分散補償光増幅中継器。