JP3172949B2

JP3172949B2 - 光信号伝送装置

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Publication number: JP3172949B2
Application number: JP08040091A
Authority: JP
Inventors: 晴彦田淵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 2001-06-04
Anticipated expiration: 2016-06-04
Also published as: JPH04291317A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光を使用したコンピュ
ータネットワーク（例えば光ＬＡＮ）、あるいは、コン
ピュータ内のメモリ−ＣＰＵ−端末装置相互間の情報の
授受等において使用される、半導体電界光吸収素子を使
用した光信号伝送装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明の説明に先立って、従来知られて
いる、光を使用したローカルエリアネットワーク（ＬＡ
Ｎ）等の光信号伝送装置を簡単に説明する。

【０００３】図４０は、従来の光信号伝送装置の構成説
明図である。この図において、５は光信号伝送ループ、
３０〜３ｎはＯＲ装置、２７０〜２７ｎは発光素子、３
００〜３０ｎは受光素子、４００は制御装置、４０１〜
４０ｎは端末装置、５００〜５０ｎは光信号伝送路であ
る。

【０００４】通常、上記の光ローカルエリアネットワー
ク（ＬＡＮ）の光経路を構成する光信号伝送ループ５、
および、端末装置間で光信号を伝送する光信号伝送路５
００〜５０ｎとしては光ファイバーが用いられ、発光素
子２７０〜２７ｎとしては発光ダイオード（ＬＥＤ）等
の電気−光（Ｅ／Ｏ）変換素子が用いられ、受光素子３
００〜３０ｎとしてはフォトダイオード等の光−電気
（Ｏ／Ｅ）変換素子が用いられる。

【０００５】この光信号伝送装置は、図示されるよう
に、端末装置４０１〜４０ｎ、端末装置４０１〜４０ｎ
と同様な機能に加えて端末装置相互間の交信を制御する
機能をもつ制御装置４００、受光素子３００〜３０ｎ、
発光素子２７０〜２７ｎ、ＯＲ装置３０〜３ｎからな
り、受光素子３００〜３０ｎ、端末装置４０１〜４０
ｎ、ＯＲ装置３０〜３ｎ、発光素子２７０〜２７ｎの間
は電気的に接続され、各端末装置４０１〜４０ｎの発光
素子と隣接する端末装置４０１〜４０ｎの受光素子との
間は光信号伝送路により接続され、最後の端末装置４０
ｎの発光素子２７ｎと制御装置４００の受光素子３００
との間は光信号伝送ループ５によって接続されている。

【０００６】この光信号伝送装置において、制御装置ま
たは各端末装置から信号が発信されない状態では、光信
号伝送ループ５、あるいは光信号伝送路５００〜５０ｎ
を経て伝送されてきた光信号は発光素子３００〜３０ｎ
によって電気信号に変換され、ＯＲ装置３０〜３ｎの左
側をパスされ、発光素子２７０〜２７ｎを用いて再び光
信号に変換されて順次下流の端末装置へ伝送され、再び
制御装置４００の受光素子３００へ返される。

【０００７】この場合、受光素子３００〜３０ｎ、発光
素子２７１〜２７ｎはあたかも中継器（リピータ）のよ
うに動作する。端末装置からデータを発信する場合は、
ＯＲ装置３０〜３ｎの右側から電気信号の形でデータを
送り出し、発光素子２７０〜２７ｎによって光信号に変
換して下流へ伝送する。

【０００８】各端末装置間の信号のやりとりは、例えば
次のようにして行われる。モード１リスナー（聞き手、受信端末装置）、トーカー（話者、
発信端末装置）のみを決定する方法端末装置のうち特定の一つをネットワーク制御装置
（コントローラ）に決めておく。ネットワーク制御装
置が、端末装置からの要求に応じてトーカーとリスナー
（単数または複数）を指定する。トーカーからリスナ
ーへ情報を伝送する。

【０００９】モード２タイムシェアによる方法端末装置のうち特定の一つをネットワーク制御装置に
決めておく。ネットワーク制御装置がトーカーとリス
ナーを指定し、該当するリスナー、トーカー間のタイム
シェアのタイミングを指定する。タイムシェアによる
情報のやりとりを行う。

【００１０】上記の従来技術には下記の欠点がある。各
端末装置に受光素子、発光素子を持つため、（１）常に全ての受光素子、発光素子を動作させておか
なければならない。そのため、ビル内システムなどで、
夜間、休日等端末装置を使用しないときでも、システム
を維持するために常に動作状態にしておく必要があり、
防災上の問題があり、電力の無駄な消費を伴い、装置の
寿命の短縮を招くことになる。

【００１１】（２）一つの受光素子あるいは発光素子が
故障すると、光信号伝送ループが開かれ、全体の光信号
伝送装置の動作が不完全になるか、停止する。そのた
め、光信号伝送装置全体の信頼性を高めるうえで、個々
の受光素子と発光素子には非常に高い信頼性が要求さ
れ、高コスト化を招く。（３）受光素子と発光素子の数が多くなって高コスト化
を招く。以上の欠点のうち、特に、発光素子についての
欠点が顕著である。すなわち、従来の発光素子には、信
頼性が高く、安価なＬＥＤ（発光ダイオード）が使用さ
れてきた。（４）ところが、ＬＥＤは、応答速度が高々１００ＭＨ
ｚと遅いため、ビットレートを上げることができないと
いう欠点をもっている。

【００１２】上記の欠点のうち、特に、（１）と（２）
の、常に全ての受光素子と発光素子を正常に動作させて
おかなければならない点を解消することが望まれる。図
４１は、従来の改良した光信号伝送装置の構成説明図で
ある。この図において、便宜上、発光素子２７１〜２７
ｎを変調装置（Ｍ）、受光素子３０１〜３０ｎを復調装
置（Ｄ）としているが、その内容は後に説明する。ま
た、４１〜４ｎは光分岐装置（カップラー）、５は光信
号伝送ループ、５１〜５ｎは光混合装置（カップラ
ー）、６、６０１はリピーター（増幅中継装置）であ
り、光分岐装置４１〜４ｎ、混合装置５１〜５ｎ、復調
装置３０１〜３０ｎ、光変調装置２７１〜２７ｎ、端末
装置４０１〜４０ｎを端末装置ブロック８０１〜８０ｎ
と総称する。

【００１３】この光信号伝送装置においては、光信号伝
送ループ５を伝送される光信号は、常時、光分岐装置４
１〜４ｎ、光混合装置５１〜５ｎを透過して下流の端末
装置へ伝送されており、各端末装置は復調装置３０１〜
３０ｎを通じて信号を受信し、光変調装置２７１〜２７
ｎを通じて信号を発信できる。なお、光信号の減衰を補
償するため、レーザ光増幅装置等のリピータ６によって
適宜増幅するようになっている。また、図において接続
されていないリピータ６０１は、必要に応じて光信号伝
送装置中に適宜挿入できることを意味している。

【００１４】図４２は、従来の改良した端末装置ブロッ
クの構成説明図である。この図における符号は先に説明
したとおりである。図４１および図４２に示した改良例
においては、光分岐装置４１〜４ｎによって光信号伝送
ループ５、光信号伝送路５０１の光を２つに分け、一方
はそのまま光信号伝送ループ５、光信号伝送路５０１内
を回転させ、他方を復調装置（Ｄ、Ｏ／Ｅ変換装置）３
０１〜３０ｎに導いて電気信号に変換して端末装置４０
１〜４０ｎで受信する。そして、発信する場合は、デー
タを光変調装置（Ｍ、Ｅ／Ｏ変換素子）によって光信号
に変換し、光混合装置５１〜５ｎによって光信号伝送ル
ープ（データハイウエイループ）５あるいは光信号伝送
路５０１に乗せる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】この改良例において
は、端末装置が停止したときでも、光信号伝送装置の機
能が維持され、前記従来技術の欠点（１）、（２）が解
消される。しかし、受光素子と発光素子の数が多くなっ
て高コスト化を招く欠点（３）と、ＬＥＤを使用するた
め応答速度が遅くなるという欠点（４）は依然として解
消されない。

【００１６】更に、カップラーが高価であるため、カッ
プラーを使用することによるコストアップが避けられな
いという欠点をもっている。また、この改良例におい
て、リピーターを用いない場合は、光信号が分岐装置を
通過する毎に、光信号強度が１／２、１／４、１／８と
減衰するため、後段で充分な光信号強度を得ようとする
と、初段で非常に強い光信号強度を必要とし、発信源に
近い端末装置には、過剰な光エネルギーを供給すること
になり、無駄になるとともに、装置に使用されている素
子の特性に飽和が生じて信号の特性維持上も好ましくな
い結果を惹起する。

【００１７】また、カップラー−カップラーでバイパス
される光の強度と、発光素子で発光されて主ループに混
合される光との強度にアンバランスを生じ、０／１判断
のスライスレベル（０とみなすか、１とみなすかを判断
する比較レベル）の設定が困難になりやすい。そして、
リピーターを用いる場合は、上記の光信号の強度の不足
やアンバランスの問題は改善されるが、上記の、受光素
子、発光素子、カップラーの使用によるコストアップの
問題と、ＬＥＤを使用することによる応答速度の問題は
解消されない。

【００１８】上記の応答速度の問題を解決するために
は、発光素子として、高速動作が可能なレーザダイオー
ド（ＬＤ）を使用することが考えられる。しかし現状の
ままでは、多数のＬＤを使用することが必要になる
ため、実現不可能な程度の大きなコストアップを招く。
非常に高い信頼性を要求される。温度条件が厳
しい。を克服するため温度コントロールを行う
と、使用されている多数のＬＤに対応する必要があるた
め更にコストアップになる。等の問題がある。本発明
は、コストの上昇を抑えて光信号伝送装置を、高信頼
化、高速化することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる光信号伝
送装置においては、情報を搬送するためのキャリア光を
出力する発光素子と、複数の端末装置と、該複数の端末
装置のそれぞれに接続された、光信号を電気信号に変換
する受光素子と、同様に各端末装置に接続され、電界無
印加時には光を透過し、電界印加時には透過光を吸収す
る電界吸収効果を有する光変調素子と、該発光素子が出
力するキャリア光を各端末装置の受光素子と光変調素子
に順次入射して伝送する光信号伝送路とを有し、該端末
装置が、該受光素子によってキャリア光に変調されてい
る信号を読み取って受信し、該光変調素子の透過率を制
御することによってキァリア光を変調して信号を発信す
る構成を採用した。

【００２０】

【作用】図１は、本発明の光信号伝送装置における送信
の説明図である。この図において、１はレーザ（Ｌ
Ｄ）、５は光信号伝送ループ、５００〜５０ｎは光信号
伝送路、２０１〜２０ｎ光変調素子、４０１〜４０ｎは
端末装置、１１０は半導体レーザ（ＬＤ）から発生した
光出力（キャリア光）である。

【００２１】この光信号伝送装置においては、レーザ
（レーザダイオードＬＤ）１から発生するキャリア光１
１０は光信号伝送ループ５を経て第１の端末装置４０１
の光変調素子２０１に導かれ、このキャリア光１１０は
光変調素子２０１を透過して端末装置間の光信号伝送路
５０１を経て、下流の端末装置４０２の光変調素子２０
２に伝達され、順次下流へ伝送されるように構成されて
いる。そしてこれらの光変調素子２０１〜２０ｎの光の
透過率が、それぞれの端末装置４０１〜４０ｎによって
制御され、キャリア光１１０が光強度変調されるように
なっている。

【００２２】この光信号伝送装置によると、各端末にレ
ーザを設けないで、一つの光信号伝送線路にただ１個の
共通のレーザを設けるから、コストが低減される。ま
た、この例では、従来の技術において使用されていた高
価な光分岐装置（ファイバーカップラー）を用いていな
いため、この点でもコストが低減される。

【００２３】図２は、本発明の光信号伝送装置における
送受信の説明図である。この図において、３０１〜３０
ｎが受光素子、５２１〜５２ｎは光信号伝送路である他
は前記のとおりである。この光信号伝送装置において
は、レーザ１から発生する光出力（キャリア光）１１０
を光信号伝送線路５を経て第１の端末装置４０１の受光
素子３０１が受け、このキャリア光１１０は、受光素子
３０１−光信号伝送路５２１−光変調素子２０１を透過
し、光信号伝送路５０１を経て、順次下流の端末装置の
受光素子３０２に伝達されるように構成されている。

【００２４】この受光素子３０１〜３０ｎ、光変調素子
２０１〜２０ｎとして、電圧印加のような電気的刺激が
ない状態では光を透過し、電気的刺激をあたえると光を
吸収して、光変調素子あるいは受光素子として動作する
電界吸収型光電変換装置を用いることができる。これら
受光素子３０１〜３０ｎによって変換された電気信号は
端末装置４０１〜４０ｎによって受信され、また、この
端末装置４０１〜４０ｎによって光変調素子２０１〜２
０ｎの光透過率を制御してキャリア光を変調し信号を光
伝送ループに発信するようになっている。

【００２５】この光信号伝送装置によると、一つの信号
伝送線路にただ１個のレーザ１を使用するためコストの
低減が図られる。図３は、本発明の光信号伝送装置にお
ける光増幅、送受信の説明図である。この図において、
６が光増幅素子、２３１〜２３ｎが受光・光変調素子、
８０１〜８０ｎは端末装置ブロックである他は前記のと
おりである。この光信号伝送装置においては、個別の光
変調素子２０１〜２０ｎと受光素子３０１〜３０ｎに代
えて、これらの機能をもって一体化された受光・光変調
素子２３１〜２３ｎを用いている点と、受光・光変調素
子２３１〜２３ｎと端末装置４０１〜４０ｎからなる端
末装置ブロック８０１〜８０ｎの間の任意の場所に光増
幅素子６を挿入している点が、図２の光信号伝送装置と
は異なる。

【００２６】この光信号伝送装置は、一体化した受光・
光変調素子２３１〜２３ｎを用いることにより、個別の
受光素子と変調素子を用いる場合に比べて、それらの境
界で生じる光の反射による減衰を低減することができ、
光信号の接合部の数が減少するため光信号伝送装置の構
成が容易になる。また、この例によると、受光・光変調
素子を透過することによって減衰したキャリア光を、光
増幅素子６によって所望のレベルまで増幅することがで
きる。

【００２７】図４は、本発明の光信号伝送装置における
受光・光変調、増幅素子の断面図である。この図におけ
る符号は、２１１は半導体結晶基板、２１２は半導体ク
ラッド層、２１３は半導体活性層、２１４は半導体クラ
ッド層、２５１、２１６は電極である。

【００２８】この図は、本発明の光信号伝送装置におけ
る受光・光変調・光増幅素子のキャリア光の進行方向に
対して垂直な方向（Ｘ）の断面を示している。この受光
・光変調・光増幅素子は、半導体結晶基板２１１上に、
半導体クラッド層２１２、半導体活性層２１３、半導体
クラッド層２１４を積層し、その上面に電極２５１、下
面に電極２１６を設けて形成されている。

【００２９】図５は、本発明の光信号伝送装置における
受光・光変調・光増幅素子の断面図である。この図にお
ける符号は、２５１が受光素子の電極、２５２が光変調
素子の電極、２５３が光増幅素子の電極である他は前記
のとおりである。

【００３０】この図は、本発明の光信号伝送装置におけ
る集積化した受光・光変調・光増幅素子の、図４のＹ−
Ｙ’線におけるキャリア光の進行方向の断面を示してい
る。この集積装置は、半導体ダブルヘテロ接合構造で、
横モードガイド機構をもっている。そして、受光素子と
光変調素子と光増幅素子を、連続した光導波路をもつよ
うに一体的に形成されている。

【００３１】この装置を製造する場合は、３つの素子に
共通する積層構造体を形成した後に、分割した電極を設
けるだけで容易に製造できる。そして、場合によって
は、一つの電界吸収素子を、変調素子と受光素子の両方
の機能をもたせて使用することができる。

【００３２】図６は、本発明の光信号伝送装置における
受光・光変調・光増幅素子の屈折率分布図である。この
図は、図４のＸ−Ｘ’線上の屈折率分布であり、凸型屈
折率分布２１０をもたせることにより、光を導波路の中
央に集中して伝播することができる。

【００３３】図７は、本発明の受光・光変調・光増幅素
子の概略図である。この図において、６０ｎが光増幅装
置である他は前記のとおりである。この素子は、光信号
の入射側から、受光素子、光変調素子、光増幅素子の順
に集積化されている。

【００３４】図８は、本発明の受光・光変調・光増幅素
子と光ファイバーの結合部の構成図である。この図にお
いて、５０１が入力側光ファイバー、５０２が出力側光
ファイバーである他は前記のとおりである。この図は、
受光素子と光増幅素子と光変調素子を集積化した半導体
装置と光ファイバーとの結合部を示している。この図の
ように、光結合部は２か所だけでよく、個別の３つの素
子を光信号伝送路によって接続するときの４か所より
も、２か所の結合作業箇所が省略でき、２か所の結合損
失を低減できる効果がある。

【００３５】図９（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の受光・光
変調・光増幅素子の概略構成説明図である。図９（Ａ）
は受光素子、発光素子、光増幅素子の順に集積化された
もの、図９（Ｂ）は受光素子、光増幅素子、光変調素子
の順で集積化されたもの、図９（Ｃ）は光変調素子、受
光素子、光増幅素子の順で集積化されたものを示す。上
記のように、受光素子が光変調素子より光信号の入射側
に配置されている限り、光増幅素子の挿入箇所は任意で
ある。

【００３６】図１０は、レーザ出力光の光強度の時間的
変化を示す図である。この図において、１０９が光強度
曲線である他は前記のとおりである。この図に示されて
いるように、レーザ１の出力であるキャリア光１１０
は、光強度曲線１０９のように、周期Ｔを有し、Ｔ／２
の時間間隔で高低を繰り返して時間的に変化する。

【００３７】図１１は、レーザ出力光の光強度変調の原
理説明図である。この図において、２９ｎが変調信号の
時間的変化を示す他は前記のとおりである。この図に示
されているように、レーザ出力光の強度曲線１０９が高
い期間に変調素子の光透過率が高くなるように、変調信
号の時間的変化２９ｎを与えると、この期間にレーザ出
力光が透過してハイパルス１０となり、透過率が低くな
るように、変調信号の時間的変化を与えると、この期間
にはレーザ出力光は透過されない。したがって、変調信
号によって、光変調素子が透過状態になるか、非透過状
態になるかによってキャリア光を変調することができ
る。

【００３８】図１２（Ａ）、（Ｂ）は、レーザ出力光の
光強度の変化と変調信号のタイミングを示す図である。
これらの図から判るように、キァリア光（レーザ出力
光）自体に基本周期の変調を与えておき（図１０）、基
本周期のパルス列から、変調信号によってパルスを抜き
取ることによって変調を加えるから、変調素子によって
直接パルスの形を決める従来の技術に比べ、変調素子に
要求される特性が緩和される。すなわち、図１１の１０
９のように、レーザ出力そのものに速いパルス変調を加
えておき、変調信号２９ｎによってパルス１０を切り出
す方式を採用したため、システム全体のタイミング維持
のための変調素子に要求される、立ち上がり、立ち下が
り速度、パルス幅、ジッタの許容範囲が緩和される。

【００３９】図１２（Ａ）のように、変調信号がΔｔだ
け遅れ、あるいは、図１２（Ｂ）のように、変調信号が
Δｔだけ進むような大きなジッターが有る場合でも、切
り出されるパルスは全く同じタイミングおよび幅をも
ち、Δｔのジッターが許容される。

【００４０】この変調方式を実現するためには、キャリ
ア光１０９の信号を形成する部分に高速特性が要求され
るが、１つの光信号伝送装置について１つないし２つの
レーザを備えるだけであるから、装置全体のコストアッ
プの幅は小さい。そしてこの場合、このキャリア光１０
９に対するジッターの制限も緩く、繰り返し周期、パル
ス幅がある程度安定していればよい。キャリア光１１０
のパルス列１０９を変調信号の発生装置等各装置の同期
信号として使用すれば、全装置のタイミング維持が完璧
になる。

【００４１】以上述べた光信号伝送装置においては、下
記の効果がある。ＬＤが少ないため、一つのシステム
のコストが低減する。特に、端末の数が増えるほど、端
末あたりのＬＤコストは低下する。ＬＤが少なけれ
ば、ＬＤ温度制御等ＬＤ制御の周辺装置充実に対するコ
スト面の障害もなくなる。電界変調素子を用いると、
高速化、高信頼化が達成でき、製造上の歩留りが良く、
コストを低減する。さらに、電圧を加えない場合透明で
あり、電圧を加えると、光変調素子としても受光素子と
しても動作する。

【００４２】図１３は、本発明に用いられる電界光変調
素子の概略構造図である。この図において、２１９が電
圧源である他は前記のとおりである。この図に示される
ように、本発明の電界光変調素子は、ｎ−ＩｎＰ基板２
１１の上に、ｎ−ＩｎＰ層２１２、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ
あるいはＭＱＷ２１３、ｐ−ＩｎＰ層２１４を形成し、
その上下の表面に電極２１５、２１６を設けたものであ
り、電圧源２１９の電圧を電極２１５、２１６に印加し
て、このｐｉｎ接合に逆バイアス電圧をかけることによ
って光の透過率を変化するようになっている。

【００４３】図１４は、図１３の光変調素子の電圧と光
吸収スペクトルの関係図である。図１３に示す構造のｐ
ｉｎ接合からなる光変調素子に電圧源２１９によって逆
バイアス電圧を印加すると、その光吸収波長特性は電圧
とともに変化する。図１４中の光吸収特性（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）は、逆バイアス電圧を、（ａ）＜（ｂ）
＜（ｃ）の大きさで印加したときのものである。

【００４４】逆バイアス電圧が大きくなるにしたがっ
て、吸収端波長が長波長側に移動することを示してい
る。したがって、例えば、電圧（ｂ）における吸収特性
の傾斜の中程にキャリア光の波長を設定しておき、それ
よりも低い電圧（ａ）と高い電圧（Ｃ）を印加すること
によって、キャリア光を透過させたり、透過させなかっ
たりすることができる。

【００４５】このように、この光変調素子は、電気刺激
を加えない状態では透明で、キャリア光を貫通させるこ
とができ、電圧を印加した状態でキャリア光を吸収する
ことによって光信号を電気信号に変換でき、さらに、吸
収の度合いを印加電圧によって制御して光変調を行うこ
とができる。このように、図４１、図４２に示された従
来技術において必要であった高価なカップラーが不要に
なる。さらに、逆バイアス電圧を（ｂ）〜（ｃ）の間で
変化させると、吸収率を連続的に変化させることができ
るから、この性質を用いて各端末装置に、任意の量の光
を分配することができる。また、（ａ）と（ｃ）で逆バ
イアス電圧をデジタル的に変化させると、受信と透過
（受信せず光をパスさせる）を選択することができる。

【００４６】

【実施例】以下、本発明の光信号伝送装置の実施例を説
明する。（第１実施例）図１５は、第１実施例の光信号伝送装置
の構成説明図である。この図は、基本的には前記の図
２，図３の光信号伝送装置と同様である。

【００４７】この図において、１はレーザ、５は光信号
伝送ループ、６は光増幅素子（レーザアンプ）、１０３
はレーザ駆動装置、１１０はキャリア光、２００〜２０
ｎは光変調素子、２２０〜２２ｎは光変調素子駆動装
置、２３１〜２３ｎは受光・光変調素子（光変調素子と
受光素子を含む）、２４１〜２４ｎは受光素子駆動装
置、３０１〜３０ｎは受光素子、４００は発信・受信端
末装置を指定する制御装置、４０１〜４０ｎは端末装
置、５００〜５０ｎは光信号伝送路、７０１〜７０ｎは
受信・送信装置ブロック（受光素子、光変調素子、光増
幅素子、駆動装置を含む）、８０１〜８０ｎは端末装置
ブロック（受信・送信装置ブロックと端末装置を含む）
である。

【００４８】この装置の構成は図示のとおりであるが、
その動作を説明する。まず、レーザ１を、駆動装置１
０３によって駆動し、図１０に示されるようなパルス波
形のキャリア光１１０を連続的に発生させる。この状態
では、各端末装置の受光素子にはタイムシェアリングで
逆バイアス電圧が印加されており、制御装置から送られ
てくる制御信号を受信できる態勢になっている。

【００４９】制御装置４００は光変調素子駆動装置２
２０を介して光変調素子２００を制御し、端末装置指定
信号で変調したキャリア光１１０を光信号伝送路に送出
することによって、特定の発信端末装置と受信端末装置
を指定する。なお、この端末装置の指定は、図示されて
いない別の信号経路によって行うこともできる。

【００５０】この指定信号によって発信を許可された
端末装置（例えば４０１）においては、光変調素子駆動
装置２２１を通してその光変調素子２０１を制御し、発
信しようとする信号によってキャリア光を変調して、光
信号伝送路に送出する。また、受信を許可された端末装
置（例えば８０３）においては、受光素子駆動装置２４
３を介して受光素子３０３に逆バイアス電圧を印加して
動作状態にし、受信すべき信号を電気信号に変換し、受
光素子制御装置を経て端末装置に取り込み受信する。

【００５１】なお、このとき、他の端末装置の受光素子
には逆バイアス電圧が印加されないから透明の状態に保
たれる。このように、指定端末装置間で信号の授受が行
われる。上記の信号の授受は、タイムシェアリングで１
対１の複数組の端末装置間で行うこともできる。また、
１つの発信端末装置に対して複数の受信端末装置を指定
し、信号を伝送することもできる。

【００５２】複数の受信端末装置が指定される場合、光
信号伝送路が長い場合等のように、光信号の減衰が大き
くなるときは、適宜光増幅素子（レーザ光増幅素子）６
を光信号伝送路５０１〜５０ｎの途中に適宜挿入し、自
動利得制御して、減衰を補償することができる。なお、
本実施例の光信号伝送装置は、レーザからみて下流方向
の信号伝送を行うものであるから、本実施例の光信号伝
送装置によって双方向の信号の伝送を行う場合は、上下
２系統用いることになる。以下、本実施例の光信号伝送
装置で使用される光変調素子２０ｎ、受光素子３０ｎ光
増幅素子６の具体例を示す。

【００５３】図１６（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施例におい
て使用される受光素子あるいは光変調素子の具体例の構
成図である。図１６（Ｂ）は断面図、図１６（Ａ）はそ
の矢印３の方向からみた側面図、図１６（Ｃ）は矢印４
の方向からみた側面図である。この図において、２１１
はＩｎＰ半導体結晶基板、２１２はｎ−ＩｎＰ半導体結
晶層、２１３はｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ超格
子、２１４はＩｎＰ半導体結晶層、２１５、２１６は電
極、２１７は反射防止膜である。

【００５４】この図に示されているように、この受光素
子あるいは光変調素子は、厚さが１００μｍでｎ型不純
物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＩｎＰ半導体結晶基板２１
１上に、厚さが１μｍでｎ型不純物濃度が５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3のＩｎＰ半導体結晶層２１２、厚さが８ｎｍのｉ型
ＩｎＧａＡｓ５０層、厚さが８ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐ４９層からなる超格子（多重量子井戸・ＭＱＷ）２１
３、厚さが１μｍでｐ型不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3
のＩｎＰ半導体結晶層２１４が積層され、一方の面に、
厚さが２０ｎｍで屈折率が１．９のＳｉＮ（窒化シリコ
ン）反射防止膜２１７と、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造
からなる環状電極２１５が設けられ、他方の面に、厚さ
が２０ｎｍで屈折率が１．９のＳｉＮ反射防止膜２１７
と、Ａｕからなる環状電極２１６が設けられている。

【００５５】この装置においては、同じ構造の装置を、
受光素子と光変調素子の両方に利用することができる。
そして、図の矢印３あるいは矢印４の方向から光を入射
し透過させる。この装置に電圧を印加しない定常状態で
は、入射光（波長１．５５μｍの光）に対して透明であ
る。ことろが、電極２１５と２１６の間に逆方向に電圧
が印加されると、この入射光を吸収するようになる。

【００５６】このように、電極２１５と電極２１６の間
に逆方向に電圧を印加すると、この信号電圧によって光
吸収率が変化するから、透過光を信号電圧によって強度
変調することができる。また、逆バイアス電圧を印加す
ると光を吸収する状態になるが、この状態で光を入射す
ると、電極２１５と電極２１６の間の導電度が変化する
から、信号光を電気信号として取り出すことができる。

【００５７】図１７は、図１５の端末装置ブロックの構
成図である。この図において、２１と３１はそれぞれ光
変調素子と受光素子、２２１は光変調素子駆動装置、２
４１は受光素子駆動装置、９０１、９０２はレンズ、４
０１は端末装置、５００、５０１は光信号伝送路であ
る。この図における受光素子あるいは光変調素子２１は
図１６（Ａ）〜（Ｃ）に示した装置である。この例で
は、受光あるいは光変調素子２１を、受光素子３０１、
光変調素子２０１として使用する。

【００５８】受信を許可された端末装置４０１において
は、駆動装置２４１を介して、受光素子３０１に逆バイ
アス電圧を印加して信号光を吸収するようにし、受光素
子によって変換された電気信号から受光すべき信号を復
調する。逆に、発信を許可された場合は、端末装置４０
１から駆動装置２２１を経て光変調素子２０１に変調信
号電圧を印加して光信号伝送路５００を経て伝送される
キャリア光を変調する。このようにして、端末装置４０
１は信号の受信と発信を行う。このように、光変調素子
は電圧を印加すると光を吸収するから、ビット１／０
に、吸収あるいは非吸収を対応させて、負論理で変調す
ることができる。

【００５９】図１８、図１９および図２０を用いて受光
素子と光変調素子の駆動方法の具体的構成と動作を説明
する。図１８は、負論理でキャリア光を変調する場合の
説明図である。この図において、２１は光変調素子、１
０８は変調された出力光、１１０はキャリア光、２２１
は駆動装置である。この装置においては、駆動装置２２
１によって光変調素子２１に電圧を印加しない状態で
は、光変調素子２１は透明であるからキャリア光を透過
し、電圧を印加した状態では光変調素子２１は光吸収性
となってキャリア光１１０を透過させないから、出力光
は負論理で変調される。

【００６０】図１９（Ａ）〜（Ｃ）は、キャリア光、光
変調素子電圧、変調出力光強度の関係図である。この図
において、２２はキャリア光の光強度の時間変化、２３
は光変調素子駆動装置２２１の出力電圧、２４は光変調
素子出力光の時間的変化である。この図に示されるよう
に、変調素子駆動装置が、ハイパルス“１”−ローパル
ス“０”−ハイパルス“１”の電圧波形の信号２３を出
力すると仮定する。光変調素子駆動装置がローパルス
“０”を出力すると、キャリア光２２はそのまま透過す
るが、ハイパルス“１”を出力すると、キャリア光２２
を透過させないから、光変調素子を透過する変調出力光
は、“０”−“１”−“０”となり、負論理で変調され
ることになる。

【００６１】図２０は、受光素子の動作説明図である。
この図において、２１は受光・光変調素子、７１は制御
信号入力、７２はコイル、７３はコンデンサ、７４は復
調装置である。リスナーに選択された場合には、制御信
号入力７１として直流電圧が印加され、この直流電圧は
コイル７２をとおして受光素子３１に印加され光吸収を
生じさせる。制御信号入力７１は、受光素子３１を透過
状態にするか光を吸収する状態にするかを制御する信号
である。光吸収が起こると、信号パルス強度に応じたパ
ルス電流を生じるので、光吸収によって生じた信号パル
ス強度に対応したパルス電流をコンデンサ７３をとおし
て信号復調装置に導いて復調する。コイル７２は、パル
ス電流が７１側に漏れるのを防止する。

【００６２】図２１は、レーザ光増幅素子の構成説明図
である。この図において、６１１はＩｎＰ半導体結晶基
板、６１２はｉ−ＩｎＧｓＡｓＰ半導体結晶層、６１３
はｎ−ＩｎＰ半導体結晶層、６１４はｐ−ＩｎＰ半導体
結晶層、６１５は上側電極、６１６は下側電極、６１７
は反射防止膜、６１８は活性層幅である。

【００６３】このレーザ光増幅素子は、厚さが１００μ
ｍでｎ形不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＩｎＰ半導体
結晶基板６１１の上に、厚さが０．１μｍのｉ−ＩｎＧ
ｓＡｓＰ半導体結晶層６１２、厚さが０．７μｍでｎ型
不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ−ＩｎＰ半導体結晶
層６１３、中央の最も厚い部分が１．５μｍでｐ型不純
物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ−ＩｎＰ半導体結晶層６
１４、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造の上側電極６１５、
Ａｕの下側電極６１６、屈折率１．９、厚さが２００ｎ
ｍのＳｉＮ反射防止膜６１７を形成されたものである。
なお、活性層幅６１８は２μｍである。このレーザ光増
幅素子６は必要に応じ光伝送路中に適宜配置される。

【００６４】図２２は、レーザ光増幅素子の配置説明図
である。この図において、６はレーザ光増幅素子、１１
０はキャリア光、５１１、５１２は光ファイバー、６１
２は活性層である。このように、光信号伝送路を構成す
る光ファイバーの途中を、テーパー先球付光ファイバー
５１１、５１２の二つに分け、その間にレーザ光増幅素
子６を配置する。

【００６５】図２３は、受光素子、光増幅素子、光変調
素子の配置図である。この図において、１８１〜１８４
は光結合部、２０１は光変調素子、３０１は受光素子、
５００、５０１は光ファイバー、６０１は光増幅素子、
９０１〜９０２はレンズである。図示のように、各端末
ブロック毎に、受光素子、光増幅素子、光変調素子を全
て具備する場合は、入力側光ファイバー５００と出力側
ファイバー５０１の間に受光素子３０１、光増幅素子６
０１、光変調素子２０１を配列し、それらの素子の間の
４か所にある光結合部１８１〜１８４にレンズ９０１〜
９１２を配置して信号光を集光している。

【００６６】本実施例によると、下記のような効果がも
たらされる。レーザダイオード（ＬＤ）と高速変調可
能なデバイスである電界吸収素子を使用するので、１０
ＧＨｚ以上の高速のビットレートで信号を伝送すること
ができる。１つの光信号伝送装置に、高価で比較的デ
リケートな素子であるレーザダイオード（ＬＤ）を１個
使用するのみであるからコスト上昇が抑えられ、かつ、
信頼性の低下も抑えることができる。高価な分岐装置
（ファイバーカップラー等）を必要としないのでコスト
上昇を抑えることができる。

【００６７】本実施例において光増幅素子（リピータ
ー）を用いない場合でも、従来技術と比較すると、次の
ような効果がある。１個の受光素子のみを能動状態と
して用いる動作モードの場合、能動状態でない光変調素
子、受光素子は透明であるから、光に対する損失がな
い。すなわち、従来技術のように、分岐器（ファイバー
カップラー）を通る毎に光強度が半減するようなことは
なく、理想的に製作されると光強度の減少は皆無になる
といえる。いくつかの受光素子を並列に動作状態にす
る動作モードの場合、受光素子に印加するバイアス電圧
を適当に選ぶと、光の吸収量を必要最小限に選択でき、
光の無駄がなくなる。

【００６８】（第２実施例）図２４は、第２実施例の光
信号伝送装置の構成説明図である。この図において、５
は光信号伝送ループ、８１は第１系統、８２は第２系
統、１０１、１０２はレーザ、２００は光変調素子、２
３１〜２３ｎは受光・光変調素子、３００は受光素子、
２６１〜２６ｎは受光・光変調素子、４００は制御装
置、４０１〜４０ｎは端末装置である。

【００６９】本実施例は双方向の光信号の伝送を行うよ
うにしたものである。本実施例の双方向化した光信号伝
送装置は、図示されるように、レーザ１０１をキャリア
光の光源とする第１系統８１と、レーザ１０２をキャリ
ア光の光源とする第１系統８１とは逆方向の第２系統８
２を並列に設け、制御装置４００および端末装置４０１
〜４０ｎをこれらの２つの系統に接続して構成されてい
る。

【００７０】このように構成すると、例えば端末装置４
０２から、それより右方向に信号を伝送する場合は、レ
ーザ１０１−光変調素子２００−受光・光変調素子２３
１−受光・光変調素子２３２−受光・光変調素子２３３
−受光・光変調素子２３ｎからなる第１系統８１を使用
し、左方向に伝送する場合は、レーザ１０２−受光・光
変調素子２６ｎ−受光・光変調素子２６３−受光・光変
調素子２６２−受光・光変調素子２６１−受光素子３０
０からなる第２系統８２を使用することができる。

【００７１】また、例えば端末装置４０２が、それより
右方向に存在する端末装置の信号を受信する場合は第２
系統を使用し、左方向に存在する端末装置の信号を受信
する場合は第１系統を使用することができる。

【００７２】（第３実施例）図２５は、第３実施例の光
信号伝送装置の構成説明図である。この図においては、
１はレーザ、５は光信号伝送ループ、２００〜２０ｎは
光変調素子、３００〜３０ｎは受光素子、４００は制御
装置、４０１〜４０ｎは端末装置である。

【００７３】本実施例においては、光変調素子２００〜
２０ｎのみを設けた変調専用系統と、受光素子３００〜
３０ｎのみを設けた受光専用系統に分け、変調専用系統
の後に受光専用系統を直列に接続して、制御装置４００
および端末装置４０１〜４０ｎを変調専用系統と受光専
用系統に接続した点が特徴である。

【００７４】このように、変調専用系統と受光専用系統
に分けて構成したから、例えば端末装置４０２から信号
を発信する場合は、相手の端末装置がそれより上流にあ
る場合でも下流にある場合でも、変調専用系統の光変調
素子を用いてキャリア光を変調して発信し、信号を受信
する場合は、発信端末装置の位置にかかわらず受光専用
系統の受光素子を用いて受信することができる。

【００７５】（第４実施例）図２６は、第４実施例の光
信号伝送装置の構成説明図である。この図において、５
は光信号伝送ループ、１０１、１０２はレーザ、１０
３、１０４は駆動装置、２３０〜２３ｎは受光・光変調
素子、４００は制御装置、４０１〜４０ｎは端末装置で
ある。

【００７６】本実施例においては、光信号伝送ループの
両端にレーザ１０１、１０２を配置し、その間に受光・
光変調素子２３０〜２３ｎを設け、受光・光変調素子２
３０には制御装置４００を、受光・光変調素子２３１〜
２３ｎには端末装置４０１〜４０ｎを接続している。ま
た、レーザ１０１、１０２には制御装置４００によって
制御される駆動装置１０３、１０４が接続されている。

【００７７】制御装置４００は端末装置と同様の機能を
もつ他に、各端末装置の発信、受信を制御し、また、レ
ーザ１０１、１０２の発光を制御する機能を有する。こ
の光信号伝送装置においては、端末装置からの交信要求
があった場合は、その相手の受信端末装置が下流になる
ように、両端に接続されているレーザ１０１、１０２を
適宜切り換える。左から右方向に信号を伝送する場合は
レーザ１０１を動作させ、右から左へ信号を伝送する場
合はレーザ１０２を動作させることになるが、その制御
は制御装置４００が駆動装置１０３、１０４を制御して
行う。

【００７８】前記の実施例の光信号伝送装置の他に、さ
らに、これらの光信号伝送系統を並列して、全体のビッ
トレートを上げ得ることはいうまでもない。第２実施
例、第３実施例、第４実施例のような光信号伝送装置、
あるいは複数の光信号伝送系統を並列化した場合には、
光変調素子、受光素子、光増幅素子等としてアレイ状に
集積化した半導体装置を用いると便利である。

【００７９】図２７は、図２４および図２６の受光・光
変調素子２３ｎあるいは図２５の光変調素子２０ｎおよ
び受光素子３０ｎに使用される１電極型の受光と光変調
に用いられる素子の斜視図である。この図において、７
はｎ−ＩｎＰ半導体結晶層、２１１はＩｎＰ半導体結晶
基板、２１２はｎ−ＩｎＰ半導体結晶層、２１４はｐ−
ＩｎＰ半導体結晶層、２１６、２５０は電極、２１７は
反射防止膜、２１８は活性層幅、２１３はｉ−ＩｎＧａ
ＡｓＰ半導体結晶層である。

【００８０】この図に示された素子は、図１６とは異な
る構造の光変調素子あるいは受光素子の例であり、以下
この素子を１電極型素子と呼ぶ。この素子を２個用いる
と、１個を光変調素子、他の１個を受光素子として用い
ることができる。さらに、１個の素子で光変調素子と受
光素子に兼用することもできる。

【００８１】この装置は、厚さが１００μｍでｎ型不純
物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＩｎＰ半導体結晶基板２１
１の上に、厚さが１．５μｍでｎ型不純物濃度が１×１
０¹⁸ｃｍ^-3のｎ−ＩｎＰ半導体結晶層２１２、厚さが
０．１μｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体結晶層、あるい
は、厚さが８ｎｍのＩｎＧａＡｓ層１０層と厚さが８ｎ
ｍのＩｎＧａＡｓＰ層９層を交互に積層したＭＱＷから
なる活性層２１３、厚さが０．７μｍでｎ型不純物濃度
が５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ−ＩｎＰ半導体結晶層７、中央
の最も厚い部分の厚さが１．５μｍでｐ型不純物濃度が
５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ−ＩｎＰ半導体結晶層２１４、Ｔ
ｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造からなる電極２５０、Ａｕ電
極２１６、厚さが２０ｎｍで屈折率が１．９のＳｉＮ反
射防止膜２１７を形成して構成されている。また、活性
層幅２１８は２μｍ、変調素子の長さは３００μｍであ
る。

【００８２】この素子の電極２１６と２５０の間に電圧
を印加しないときは、活性層２１３は例えば波長１．５
５μｍのキャリア光を透過する。電圧を印加すると活性
層２１３は例えば波長１．５５μｍのキャリア光を吸収
するようになり、透過率が減少する。パルス電圧を印加
すると透過キャリア光が印加パルスに対応して強度変調
され、光変調器として動作する。このとき、光吸収に伴
い光電流が発生するが、変調動作時は無視する。

【００８３】次に、受光素子として動作する場合は、光
吸収で発生した光電流を検出し利用することになる。例
えば、キャリア光の光強度がパルス状に変化する場合に
は、光パルスが活性層を通過するたびにパルス電流が発
生される。例えば、パルス電流の有無をデジタル信号の
１と０に対応させて信号を検出する。したがって、この
素子によって、キャリア光の変調と、信号光の検出が可
能である。

【００８４】図２８（Ａ）、（Ｂ）は、受光素子と光変
調素子を１つの半導体素子で構成した２電極型の受光・
光変調素子の例を示す図である。この図において、電極
が２５１と２５２の２つである他は図２７において使用
したものと同じである。この図２８（Ａ）は平面図、図
２８（Ｂ）は図２８（Ａ）のＺ−Ｚ線における断面図で
ある。

【００８５】この例においては、図２７における電極２
５０が２５１と２５２に分割されている。そして、光は
矢印３の方向から入射されるようになっており、電極２
５１の部分が受光素子、電極２５２の部分が光変調素子
としての機能をもつ。電極２５１の部分の受光素子と、
電極２５２の部分の光変調素子の動作は前記のとおりで
ある。２個の１電極型素子を光変調素子と受光素子に用
いる場合に比べて、精密な光結合を必要とする部分が少
なくなる利点がある。また、１個の１電極型素子を光変
調素子と受光素子に兼用する場合に比べて、受信と送信
を同時に行うことができる利点がある。さらに、受光素
子側と光変調素子側に最適な駆動装置の接続と最適な電
圧印加が可能とする長所がある。

【００８６】図２９（Ａ）、（Ｂ）は、３電極型の受光
・光変調・光増幅素子の構成図である。図２９（Ａ）は
平面図、図２９（Ｂ）は図２９（Ａ）のＺ−Ｚ線におけ
る断面図である。この図において、８が活性層の中央部
分、２５３が電極である他は、図２７、図２８において
使用したものと同じである。この図においても、光は矢
印３の方向から入射され、電極２５１の部分が受光素
子、２５２の部分が光変調素子、電極２５３の部分が光
増幅素子（レーザ光増幅素子）としての機能をもつ。各
素子の動作は先に述べたとおりである

【００８７】光増幅波長と光吸収波長との関係で、活性
層２１３のうち光増幅素子の活性層８の組成は、活性層
２１３と同じか、あるいは、活性層２１３よりバンドギ
ャップエネルギーが小さい組成の半導体結晶とされる。
３電極型の利点は、装置の小型化と、以下に述べる精密
な光結合を必要とする部分の数の低減による結合損失の
低下、低コスト化である。さらに、３電極型にしたた
め、それぞれの素子に最適の不純物濃度分布等の構成を
選択でき、最適電圧を印加して動作させることができ
る。

【００８８】図３０は、受光・光変調・光増幅素子と光
ファイバーとの光結合部の構成図である。この図におい
て使用した符号は先に説明したとおりである。図示され
ているように、受光・光変調・光増幅素子の活性層２１
３に接近して、テーパー先球付光ファイバー５１１、５
１２を配置し、それら相互間の光結合を達成している。
受光素子、光増幅素子、光変調素子がそれぞれ個別素子
として独立していた場合には、図２３に示すように、一
つの端末装置ブロックあたり最低４か所の光結合部が必
要であった。

【００８９】そして、この種の光結合部には必ず光の結
合損失を伴うため、その損失を最低限度に抑えるため製
造時に高度な位置合わせ技術が要求され、製造コストも
高くなっていた。この複合素子を用いると、図３０に示
すように、結合部は２か所のみとなり、テーパー先球付
光ファイバーを使用すると、光の損失を低減することが
でき、位置合わせ精度に余裕ができるため、製造が容易
になるとともに製造コストが低減される。また、装置を
小型にすることができる。

【００９０】図３１（Ａ）、（Ｂ）は、並列３電極型の
受光・光増幅・光変調素子の構成図である。この図にお
ける符号は、３５１、３５２、３５３が電極、９１が第
１導波路、９２が第２導波路である他は先に説明したも
のと同様である。

【００９１】この図３１（Ａ）は平面図、図３１（Ｂ）
は図３１（Ａ）のＺ−Ｚ線における断面図である。この
例は図２９（Ａ）、（Ｂ）に示した３電極型の受光・光
変調素子を２系統並列に集積化したものである。この素
子の第１導波路９１、第２導波路系統９２を、第２実施
例（図２４）の２つの系統に対応させて使用することが
できる。

【００９２】図３２（Ａ）、（Ｂ）は、並列２電極型の
受光・光変調・光増幅素子の構成図である。この図３２
（Ａ）は平面図、図３２（Ｂ）は図３２（Ａ）のＺ−Ｚ
線における断面図である。この図における符号は前記と
同様である。

【００９３】この素子においては、第１導波路９１に受
光素子と光増幅素子が、第２導波路９２に光変調素子と
光増幅素子が形成されている。したがって、この素子を
第３実施例（図２５）に使用する場合は、変調専用経路
を第２導波路に、受光専用経路を第１導波路に対応させ
る。このように２系統を並列して集積化すると、第２実
施例、第３実施例の双方向性光信号伝送装置の送信、受
信装置を小型化することができ、図２７、図２８、図３
１、図３２などの装置を小型化することができ、さら
に、複数の光信号伝送装置を並列した装置に用いると、
送信、受信装置の小型化が可能になる。

【００９４】図３３は、同期変調装置の構成説明図であ
る。この図において、１はレーザダイオード（ＬＤ）、
２はクロック発生装置、１０５はレーザダイオード変調
駆動装置、１０８は光変調素子の出力光、１１１は半導
体結晶基板、１１２は半導体結晶層（クラッド層）、１
１３は半導体結晶層（活性層）、１１４は半導体結晶層
（クラッド層）、１１５、１１６は電極、１０９はレー
ザダイオードの出力光の波形、１１０はキャリア光、２
１１は半導体結晶基板、２１２は半導体結晶層（クラッ
ド層）、２１３は半導体結晶層（活性層）、２１４は半
導体結晶層（クラッド層）、２１６は共通電極、２５１
は受光素子の電極、２５２は光変調素子２８ｎの電極、
２５３は光増幅素子の電極、３１ｎはクロック復調およ
び受信信号復調装置、２８ｎは光変調素子駆動装置であ
る。

【００９５】この例において使用されるレーザ１は、半
導体結晶基板１１１上に半導体結晶層（クラッド層）１
１２、半導体結晶層（活性層）１１３、半導体結晶層
（クラッド層）１１４を形成し、その上側と下側に電極
１１５、１１６を設けたものである。そして、この図に
示されているように、クロック発生装置２によって発生
したクロック信号をレーザダイオード変調駆動装置１０
５を経てこのダブルヘテロレーザ１の電極に印加して直
接変調を加え、矩形パルス状１０９のキャリア光１１０
を発生する。

【００９６】そして、そのキャリア光１１０を、受光、
変調素子２３ｎの光導波路２１３に導く。そして、復調
装置３１ｎによってクロック信号および受信信号を復調
し、復調したクロック信号を光変調素子駆動装置２８ｎ
に導いて、このクロック信号に同期して、光変調素子の
電極２５２に発信すべき信号をもつ変調信号を加える。

【００９７】図３４は、同期変調装置の光変調タイミン
グ説明図である。この図において、１０９はキャリア
光、１１３は変調素子に加える電圧、１０８は変調出力
光、Ｔは周期である。キャリア光の周期はＴで、パルス
幅はＴ／２である。この図に示されるように、この同期
変調装置においては、連続的に周期Ｔ、幅Ｔ／２で繰り
返すパルス状のキャリア光から、このキャリア光に同期
した変調信号１１３によって、変調信号波形のハイパル
スに相当する期間のキャリア光パルスを透過させて抜き
出し、変調出力信号１０８を得るようにしている。

【００９８】この変調方法によると、キャリア光を変調
信号の同期パルスとして用いるため、変調信号発生装置
において独自のタイミング設定を必要としない利点があ
り、また、キャリア光の周期にゆらぎが生じたとして
も、それに追従して変調するから、タイミングのずれを
生じることがない。

【００９９】図３５は、断続キャリア光発生装置の構成
説明図である。この図において、２はクロック信号発生
装置、１０５は変調素子駆動装置、１０９はキャリア光
波形、１１１は半導体結晶基板、１１２は半導体結晶層
（クラッド層）、１１３は半導体結晶層（活性層）、１
１４は半導体結晶層（クラッド層）、１１５、１１６、
１１７は電極、１１９は直流電圧源である。この方法に
おいては、連続発信するレーザと光変調素子とを使用し
て周期的に断続するキャリア光を得ている。

【０１００】すなわち、電極１１５、半導体結晶基板１
１１、半導体結晶層（クラッド層）１１２、半導体結晶
層（活性層）１１３、半導体結晶層（クラッド層）１１
４、電極１１５からなる半導体レーザに直流電圧源１１
９から電流を供給して連続発振させておき、その光を、
電極１１５、半導体結晶基板１１１、半導体結晶層（ク
ラッド層）１１２、半導体結晶層（活性層）１１３、半
導体結晶層（クラッド層）１１４、電極１１７からなる
光変調素子を透過させ、その光変調素子に、クロック発
生装置２の出力を光変調素子駆動装置１０５を介して印
加し、光変調素子の透過率を周期的に変えることによっ
て連続的にオン／オフするキャリア光１０９を得てい
る。この方法によると、図３３の直接変調に比較してよ
り安定した周波数（波長）のキャリア光を発生すること
ができる。

【０１０１】（第５実施例）図３６は、第５実施例の光
信号伝送装置の構成説明図である。この図における符号
は前記のとおりである。この装置においては、レーザ１
０１を光源とし、クロック信号を伝送するためのクロッ
ク復調系統８１と、レーザ１０２を光源とし、伝送すべ
き信号を伝送するための信号伝送系統８２から構成され
ている。本実施例の光信号伝送装置においては、二つの
レーザ１０１と１０２はともにクロック発生装置が発生
するクロック信号によって変調され、図３４の１０９の
ようなパルスを出力する。

【０１０２】そして、クロック復調系統８１では、クロ
ックパルスの状態で光信号伝送路に送出され、各端末装
置ブロックの受光素子によって電気信号に変換される。
そして、信号伝送系統８２の各端末装置ブロックでは、
クロック復調系統によって電気信号に変換されたクロッ
ク信号を基準にしてキャリア光１０９に変調を加える。
この装置によると、各端末装置ブロックにおいて、信号
の送受信に影響されないクロック信号を常時参照するこ
とができるから、特に、タイムシェアリング（時分割）
で変調、復調が行われる場合のタイミングの精密な制御
に有効である。この装置は、複合化された受光・光変調
・光増幅素子を用いることによって小型になり、信号光
の減衰を防ぐことができる。

【０１０３】図３７は、複合受光・光変調・光増幅素子
の構成図である。この図における符号は前記のとおりで
ある。この素子は、図３６の受光素子３０１〜３０ｎと
端末装置ブロック８００〜８０ｎの受光・光変調素子の
両方に用いることができる受光・光変調・光増幅素子に
関するものである。

【０１０４】図３７（Ａ）は上面平面図、図３７（Ｂ）
は図３７（Ａ）のＺ−Ｚ線における断面図である。この
図における符号は、前記のとおりである。この装置にお
いては、第１導波路９１には、受光素子２５１と光増幅
素子２５３と光変調素子２５２が形成されている。そし
て、第２導波路９２には、受光素子３５１と光増幅素子
３５３が形成されている。第１導波路９１を図３６の信
号伝送系統８２に使用し、第２導波路９２を図３６のク
ロック復調系統８１に使用することができる。

【０１０５】（第６実施例）本発明の光信号伝送装置
は、例えば、コンピュータ等の内部データの授受に使用
することができる。図３８は、第６実施例の光信号伝送
装置の構成説明図である。この図において、９はデータ
バス、１１は制御装置、１５は受光装置、１６はインタ
ーフェイス、１８は受光素子アレイ、１９はデータ復調
装置、１２１、１２２は光源駆動装置、１２３は光源駆
動装置制御装置、１３１、１３２、１３３はコリメート
されたレーザ光源アレイ、１３４、１３５、１３６、１
３７は光束、１４１、１４２、１４３、１４ｎは受光・
変調素子アレイ、１７１〜１７ｎはメモリボードであ
る。

【０１０６】本実施例において、制御装置１１は、リー
ド／ライト（Ｒ／Ｗ）指定、アドレス指定、メモリボー
ド選択、データの読み込み等の制御を行う。光源アレイ
１３１、１３２、１３３はコリメートされた細い光束
（平行光束）を出射し、しかも、ライト（Ｗ）時は光源
アレイ１３１と１３３が発光し、リード（Ｒ）時は光源
アレイ１３２と１３３が発光するように、光源駆動装置
１２１、光源駆動装置制御装置１２３、光源駆動装置１
２２によって制御されるようになっている。

【０１０７】受光素子アレイ１８と受光・変調素子アレ
イ１４１〜１４ｎは電圧が印加された場合のみ光を吸収
し、電圧が印加されいない場合は光を透過するようにな
っており、光源アレイ１３１、１３２、１３３から放出
される光束が、受光・変調素子アレイ１４１〜１４ｎの
全てを貫通するように配置されている。そして、受光・
変調素子アレイ１４１〜１４ｎはインターフェイス１６
を介して、メモリボード１７１〜１７ｎとの間で情報の
授受ができるように接続されている。また、受光素子ア
レイ１８とデータ復調素子１９との間で情報を授受がで
きるように接続されている。

【０１０８】この装置の動作を説明する。データの書き込み（Ｗ）光源駆動装置によって、光源アレイ１３１と光源アレイ
１３３の発光素子を選択的にオンして、発光素子のオン
／オフによる情報をもつ光束を放出する。制御装置から
出るボード選択信号によって、選択された受光・変調素
子アレイ１４ｎに電圧が印加され受光素子となる。受光
・変調素子アレイ１４ｎによって電気信号に変換された
データは、インターフェイス１６を経て、指定されたア
ドレスのメモリーボード１７ｎに導かれ、ここにデータ
が格納される。

【０１０９】データの読み出し（Ｒ）アドレスは書き込みと同じ方法で指定される。光源駆動
装置制御装置１２３、光源駆動装置１２２によって、光
源アレイ１３２の全ての発光素子が発光する。一方、イ
ンターフェイス１６を介して、選択されたメモリーボー
ド１７ｎから格納されていたデータが電気信号として出
力され、その受光・変調素子アレイにこのデータに対応
する電圧が印加され、光源アレイ１３２から出力された
光束を、格納していたデータによって透過あるいは不透
過にして変調する。このときは、選択されなかった受光
・変調素子アレイ１４１・・・は光の透過する状態にな
っている。透過した光束を、受光素子アレイ１８によっ
て光電変換し、この電気信号をデータ復調装置１９に導
く。この電気的信号は、制御装置１１によって読み出さ
れ、データバス９に送出される。

【０１１０】図３９は、第６実施例の光源アレイ、受光
素子アレイ、受光・変調素子アレイの空間的配置図であ
る。この図において使用されている符号は図３８におい
て使用されているものと同様である。

【０１１１】この図に示すように、レーザアレイ１３
１、１３２、１３３と、受光素子アレイ１８、１５と、
受光・変調器素子アレイ１４１〜１４ｎを直線上に配置
し、レーザアレイの光束１３４〜１３７がこれらの素子
を貫通して照射するようになっている。このように、例
えば、カードコネクタの部分、あるいは、メモリーが実
装された基板の特定領域に受光・変調器素子１４１〜１
４ｎを作りつけ、光による情報の授受を行うことができ
る。

【０１１２】本実施例の効果として、つぎの点が挙げら
れる。情報を光で伝送することによる効果導線によって接続した場合よりも信号の伝播時間が短い静電容量、電磁誘導による波形劣化や伝播遅延やクロス
トークを生じない。空間的配置による効果受光・変調素子アレイを光路に沿って直線状に配置して
いるので、光を空間伝播させるのに適する。部品の精度
を保てば、それらを組み立てるだけで情報伝送路が形成
され、従来の配線に相当するものが不要となるので、配
線ミスが発生しない、配線不良（接触不良）が生じな
い。光源アレイ、受光素子アレイ、受光・変調素子ア
レイ等とインターフェイスを組み込んだコネクター装置
を作ることによる効果従来の回路基板をそのまま利用す
ることが可能である。

【０１１３】

【発明の効果】本発明によると、光信号伝送装置に使用
するレーザ（ＬＤ）数が少ないため、その温度制御等の
周辺装置に対するコストを含めて、全システムのコスト
の低減が可能になり、電界変調素子を用いることによ
り、信号伝送の高速化、高信頼化が達成できる。

【０１１４】さらに、光信号の伝送路として光ファイバ
ーを使用すると、伝送特性が広帯域であるから高速のデ
ータ伝送が可能で、電磁誘導、静電容量等の影響を受け
ず、かつ、伝送損失が小さいため、長いスパン信号の伝
送ができる。

【０１１５】また、光ファイバーは同軸ケーブルに比べ
て細く軽いので、筐体内堆積の配線の占有率が高い超大
型電子計算機等の小型化、軽量化に寄与する。そしてま
た、光ファイバーを用いないで、光信号を空間伝播によ
って伝送すると、導体中を電気情報が伝播する速度より
早くなるので、電子計算機に用いると処理速度が高くな
る。空間伝播では、伝播経路は直線となるため伝送速度
が高くなり、これに加えて、伝送路がないため伝送路の
重量を無視できる等のメリットを有する。

【０１１６】この光信号伝送装置をコンピュータ等の情
報の伝送に用いると、導線によって接続した場合よりも
信号の伝播時間が短く、静電容量や電磁誘導による波形
劣化や伝播遅延やクロストークを生じない利点がある。
そして、この場合、受光・変調素子アレイを光路に沿っ
て直線状に配置して信号光を空間伝播させるようにする
と、部品の精度を保つことによって、それらを組み立て
るだけで情報伝送路が形成され、配線ミスや、配線不良
が生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光信号伝送装置における送信の説明図
である。

【図２】本発明の光信号伝送装置における送受信の説明
図である。

【図３】本発明の光信号伝送装置における光増幅、送受
信の説明図である。

【図４】本発明の光信号伝送装置における受光・光変
調、増幅素子の断面図である。

【図５】本発明の光信号伝送装置における受光・光変調
・光増幅素子の断面図である。

【図６】本発明の光信号伝送装置における受光・光変調
・光増幅素子の屈折率分布図である。

【図７】本発明の受光・光変調・光増幅素子の概略図で
ある。

【図８】本発明の受光・光変調・光増幅素子と光ファイ
バーの結合部の構成図である。

【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の受光・光変調・光
増幅素子の概略構成説明図である。

【図１０】レーザ出力光の光強度の時間的変化を示す図
である。

【図１１】レーザ出力光の光強度変調の原理説明図であ
る。

【図１２】（Ａ）、（Ｂ）は、レーザ出力光の光強度の
変化と変調信号のタイミングを示す図である。

【図１３】本発明に用いられる電界光変調素子の概略構
造図である。

【図１４】図１３の光変調素子の電圧と光吸収スペクト
ルの関係図である。

【図１５】第１実施例の光信号伝送装置の構成説明図で
ある。

【図１６】（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施例において使用さ
れる受光素子あるいは光変調素子の具体例の構成図であ
る。

【図１７】図１５の端末装置ブロックの構成図である。

【図１８】負論理でキャリア光を変調する場合の説明図
である。

【図１９】（Ａ）〜（Ｃ）は、キャリア光、光変調素子
電圧、変調出力光強度の関係図である。

【図２０】受光素子の動作説明図である。

【図２１】レーザ光増幅素子の構成説明図である。

【図２２】レーザ光増幅素子の配置説明図である。

【図２３】受光素子、光増幅素子、光変調素子の配置図
である。

【図２４】第２実施例の光信号伝送装置の構成説明図で
ある。

【図２５】第３実施例の光信号伝送装置の構成説明図で
ある。

【図２６】第４実施例の光信号伝送装置の構成説明図で
ある。

【図２７】１電極型の受光と光変調に用いられる素子の
斜視図である。

【図２８】（Ａ）、（Ｂ）は、２電極型の受光・光変調
素子の例を示す図である。

【図２９】（Ａ）、（Ｂ）は、３電極型の受光・光変調
・光増幅素子の構成図である。

【図３０】受光・光変調・光増幅素子と光ファイバーと
の光結合部の構成図である。

【図３１】（Ａ）、（Ｂ）は、並列３電極型受光・光増
幅・光変調素子の構成図である。

【図３２】（Ａ）、（Ｂ）は、並列２電極型受光・光変
調・光増幅素子の構成図である。

【図３３】同期変調装置の構成説明図である。

【図３４】同期変調装置の光変調タイミング説明図であ
る。

【図３５】断続キャリア光発生装置の構成説明図であ
る。

【図３６】第５実施例の光信号伝送装置の構成説明図で
ある。

【図３７】複合受光・光変調・光増幅素子の構成図であ
る。

【図３８】第６実施例の光信号伝送装置の構成説明図で
ある。

【図３９】第６実施例の光源アレイ、受光素子アレイ、
受光・変調素子アレイの空間的配置図である。

【図４０】従来の光信号伝送装置の構成説明図である。

【図４１】従来の改良した光信号伝送装置の構成説明図
である。

【図４２】従来の改良した端末装置ブロックの構成説明
図である。

【符号の説明】

１はレーザ５光信号伝送ループ６光増幅素子（レーザアンプ）１０３レーザ駆動装置１１０キャリア光２００〜２０ｎ光変調素子２２０〜２２ｎ光変調素子駆動装置２３１〜２３ｎ受光・光変調素子２４１〜２４ｎ受光素子駆動装置３０１〜３０ｎ受光素子４００発信・受信端末装置を指定する制御装置４０１〜４０ｎ端末装置５００〜５０ｎ光信号伝送路７０１〜７０ｎ受信・送信装置ブロック８０１〜８０ｎ端末装置ブロック

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 10/20 G02F 1/015 - 1/025 H04L 12/42 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】情報を搬送するためのキャリア光を出力す
る発光素子と、複数の端末装置と、該複数の端末装置の
それぞれに接続された受光素子で、電界無印加時には光
を透過し、電界印加時には透過光を吸収する電界吸収効
果を有する半導体素子によって構成され且つ光信号を電
気信号に変換する受光素子と、同様に各端末装置に接続
され、電界無印加時には光を透過し、電界印加時には透
過光を吸収する電界吸収効果を有する半導体素子によっ
て構成された光変調素子と、該発光素子が出力するキャ
リア光を各端末装置の受光素子と光変調素子に順次入射
して伝送する光信号伝送路とを有し、該端末装置が、該
受光素子によってキャリア光に変調されている信号を読
みとって受信し、該光変調素子の透過率を制御する事に
よってキャリア光を変調して信号を発信することを特徴
とする光信号伝送装置。
【請求項２】受光素子と光変調素子、あるいはこれら
と光増幅素子が、半導体結晶層からなる共通の活性領域
と、該活性領域の両側に接する、該活性領域よりも屈折
率が小さい２層の半導体結晶層によって構成される接合
構造をもつことを特徴とする請求項１記載の光信号伝送
装置。
【請求項３】受光素子と光変調素子，あるいはこれら
と光増幅素子が形成される半導体結晶層からなる活性領
域が、光信号の進行方向に直角の方向に、ステップ状の
凸型屈折率分布をもち、光信号の進行方向に延びるスト
ライプ状の光導波路を有することを特徴とする請求項２
記載の光信号伝送装置。
【請求項４】光信号の進行方向に延びる活性領域のス
トライプ状の導波路に沿って、該活性領域よりも屈折率
が小さい２層の半導体結晶層のいずれか一方の表面に、
二つ以上の分割されたストライプ状の電極を有し、該各
電極が形成されている領域に受光素子、光変調素子、あ
るいは光増幅素子が形成されていることを特徴とする請
求項３記載の光信号伝送装置。
【請求項５】発光素子が出力するキャリア光を、周期Ｔ
の高周波矩形波状に強度変調し、且つ前記光変調素子に
該キャリア光の光変調周期に同期して最小２Ｔの周期で
変化する変調信号を加えることによって当該キャリア光
の光強度が大きい波形部分を選択的に吸収させ、当該キ
ャリア光を強度変調することを特徴とする請求項１乃至
４の何れか１記載の光信号伝送装置。
【請求項６】情報を搬送するためのキャリア光を出力
する第１の発光素子と、光信号を電気信号に変換する機
能と、電界無印加時には光を透過し電界印加時には透過
光を吸収する電界吸収機能を有する複数の受光・光変調
素子と、該第１の発光素子の出力光を該複数の受光・光
変調素子に順次光学的に貫通して伝送する第１の光信号
伝送路とからなり、かつ、第１の方向に延びる第１の光
信号伝送系統と、情報を搬送するためのキャリア光を出
力する第２の発光素子と、前記と同様の複数の受光・光
変調素子と、該第２の発光素子の出力光を該複数の受光
・光変調素子に順次光学的に貫通して伝送する第２の光
信号伝送路とからなり、かつ、第１の方向とは逆の方向
に延びる第２の光信号伝送系統と、該第１の光信号伝送
系統の受光・光変調素子の一つと該第２の光信号伝送系
統の受光・光変調素子の各一つに電気的に接続された複
数の端末装置とからなることを特徴とする光信号伝送装
置。
【請求項７】情報を搬送する為のキャリア光を出力する
発光素子と、電界無印加時には光を透過し、電界印加時
には透過光を吸収する電界吸収効果を有する複数の光変
調素子と、該発光素子が出力するキャリア光を複数の光
変調素子に順次光学的に貫通して伝送する第１の光信号
伝送路とからなる変調専用系統と、該変調専用系統に続
いて直列に接続された受光素子で、電界無印加時には光
を透過し、電界印加時には透過光を吸収する電界吸収効
果を有する半導体素子によって構成され且つ光信号を電
気信号に変換する受光素子と、第１の光信号伝送路を伝
送されてきたキャリア光を該複数の受光素子に順次光学
的に貫通して伝送する第２の光伝送路とからなる受光専
用系統と、該変調専用系統の光変調素子の一つと、該受
光専用系統の受光素子の一つに電気的に接続された複数
の端末装置とからなることを特徴とする光信号伝送装
置。
【請求項８】情報を搬送するためのキャリア光を出力
する第１の発光素子および第２の発光素子と、光信号を
電気信号に変換する機能と、電界無印加時には光を透過
し電界印加時には透過光を吸収する電界吸収機能を有す
る複数の受光・光変調素子と、該複数の受光・光変調素
子を該第１の発光素子と第２の発光素子の間に挟み、該
第１の発光素子および第２の発光素子が出力するキャリ
ア光を該複数の受光・光変調素子に順次光学的に貫通し
て伝送する光信号伝送路と、該複数の受光・光変調素子
の各一つに電気的に接続された複数の端末装置と、該第
１の発光素子と第２の発光素子を選択的に切り換えて発
光させる発光素子駆動装置とからなることを特徴とする
光信号伝送装置。
【請求項９】クロック信号を搬送するためのキャリア
光を出力する第１の発光素子と、光信号を電気信号に変
換する複数の受光素子と、該第１の発光素子が出力する
クロック信号を、該複数の受光素子に順次光学的に貫通
して伝送する第１の光信号伝送路とからなるクロック復
調系統と、情報を搬送するためのキャリア光を出力する
第２の発光素子と、光信号を電気信号に変換する機能
と、電界無印加時には光を透過し電界印加時には透過光
を吸収する電界吸収機能を有する複数の受光・光変調素
子と、該第２の発光素子が出力するキャリア光を、該複
数の受光・光変調素子に順次光学的に貫通して伝送する
第２の光信号伝送路とからなる信号伝送系統と、該クロ
ック復調系統の複数の受光素子の一つと、該信号伝送系
統の複数の受光・光変調素子の一つに電気的に接続され
た複数の端末装置とからなることを特徴とする光信号伝
送装置。
【請求項１０】情報を搬送する為のキャリア光を出力す
る発光素子と、複数の端末装置と、該複数の端末装置の
それぞれに接続された受光素子で、電界無印加時には光
を透過し、電界印加時には透過光を吸収する電界吸収効
果を有する半導体素子によって構成され且つ光信号を電
気信号に変換する受光素子と、同様に各端末装置に接続
され、電界無印加時には光を透過し、電界印加時には透
過光を吸収する電界吸収効果を有する光変調素子と、該
発光素子が出力するキャリア光をコリメートされた光束
として空間中を伝播させて、各端末装置の受光素子と光
変調素子に順次貫通して伝送する手段とからなり、該端
末装置が、該受光素子によってキャリア光に変調されて
いる信号を読みとって受信し、該光変調素子の透過率を
制御することによってキャリア光を変調して信号を発信
することを特徴とする光信号伝送装置。