JP3579057B2 - 無線周波数変調された光放射の生成 - Google Patents

Description

この発明は変調された光信号の生成方法と、変調された光放射源、とくにファイバ通信システム上での無線における半導体電子吸収変調器の使用に関する。
家庭及び小規模企業に対する広帯域電気通信網サービスに対する需要は、今後10年間に著しく増大するものと予想されている。光ファイバ及びミリメートル波無線はともに、この種のサービスに関して個々に広帯域要件を支持することができる。光ファイバケーブルを直接家庭や企業に備えることは大容量を供給する一方法であるが、動作上の理由からはこれが常に適切な解決法とはいえない。代わりに、ミリメートル波無線システム、例えばRACE移動広帯域システムや無線LANのようなものが融通性があり、かつ便利な手段という利点をもたらす。
近年、これら２つの技術の混成が開発され、ファイバ上の無線（radio over fibre）と名付けられている。ファイバ上の無線システムは光ファイバ伝送を利用して無線信号を直接に自由空間放射点（通常はアンテナサイト）まで運ぶことができる。ファイバ上の無線システムの応用によっては、無線信号はVHF,UHF,マイクロ波もしくはミリメートル周波数となる。一般には、ファイバ上の無線通信システムの構成は、第１のすなわち中央のサイトであってそこで無線周波数キャリヤを持つ光信号が生成されるところと、第２のすなわち遠隔のサイトであって送信用無線アンテナを備えたところと、第３のサイトであって受信用無線アンテナを備えたところとで成る。こうして、第１のサイトで光キャリヤ上で符号化されたデータは光として光ファイバを経由して遠隔サイトへ伝送され、遠隔サイトから第３のサイトにある受信用無線アンテナへ自由空間無線信号として伝送されて、復調される。光ファイバリンクを経由して、無線信号を光で配給することによって、遠隔地−ふつうはアクセスするのが容易ではなく、良好な環境下にはないところである−での高周波無線キャリヤ生成が不必要となる。光ファイバは低損失、高周波、広帯域という能力を備えているので、この目的にとっては理想的な伝送媒体である。ファイバ上の無線システムの主たる利点は、高価な高周波装置の大部分を中央に集中し、残りの遠隔サイトの装置は簡素、小型、軽量でしかも低電力消費のものとする能力である。この結果、単純な設備、軽い保守、各種の電力供給用のオプションの簡略化が可能となる。高周波装置の集中はまた動作の融通性と多数の使用者間での周波数の再使用や共用の可能性を増大させる。さらに、放射周波数を中央で制御することができ、厳しい気象変動から保護された環境の下で、極めて安定なものとすることができる。
ファイバ上の無線通信システムの主たる問題は、無線周波数変調された光信号を効率的に発生することであろう。その理由は、ファイバ上の無線システムの主な利点を得るためには、光信号上で変調される無線周波数キャリヤはアップ変換なしに送信用無線アンテナによって直接再送信するのに適したものでなければならないからである。例えば、1GHzから15とか20GHzまでといった低い無線周波数で変調した光信号を発生するための技術や部品は存在するが、必要とされる無線周波数変調光信号の周波数が増大すると、効果的かつコスト効率的にこういった光信号を生成することは次第に難しくなる。より高い周波数のファイバ上の無線通信システムは多数の応用にとってとくに魅力があり、その例として、マルチポイント・ビデオ配給サービス（MVDS）、及び移動広帯域システム（MBS）がある。ヨーロッパでは、これらの両応用に対しミリメートル波領域の周波数帯域が40〜42GHzと62〜66GHzとでそれぞれに割り当てられている。このように高い周波数帯域で作業をする利点は、電磁波スペクトラムがこの領域で使用可能であるというだけでなく、次のような技術的な要因にもよる。すなわち、高いアンテナ利得、アンテナ寸法が物理的に小さい、見通し線経路を超えると高伝搬損失となること及び大気中減衰とから周波数の再使用がよくできることである。高い周波数のファイバ上の無線通信システムが商業的に存立できるようにするためには、無線周波数変調された光信号を低コストで生成する方法が必須となる。
無線周波数、とくにミリメートル波で変調した光信号を生成するための既知の技術はたくさんある。レーザダイオードの直接変調はミリメートル波周波数では実行性がないが、外部空洞を使用しての、レーザ周波数応答の共振強化は周波数45GHzで変調された光信号を生成することができる。例えば、J.B.Georges,M.H.Kiang,K.Heppel,M.Sayed and K.Lau,“Optical Transmission of Narrowband Millimetre−wave Signals by Resonant Modulation of Monolithic Semiconductor Lasers",IEEE Photonic Technology Letters,Vol.6,No.4,pp.568−570,（1994年）参照。しかしながら、共振強化技術は基本的には通信システムによって搬送されるべきデータ信号の帯域幅を制限するものである。光ヘテロダインは非常に効果的な光信号生成をすることができる技術であるが、低位相雑音のビート信号を得るには複雑な安定化を必要とする。例えば、D.C.Scott,D.V.Plant and H.R.Fetterman“60GHz Sources Using Optically Driven Heterojunction Bipolar Transistors",Applied Physics Letters,Vol.6,No.1,pp.1−３（1992年）参照。高調波生成技術（Harmonic generation techniques）は、光電子部品に加えられた電気的駆動信号の高調波を利用するものであり、次の理由で魅力的である。すなわち、比較的低周波でよく、したがって低コストの光電子部品が利用でき、また光信号の純度は電気的駆動信号から求められるからである。レーザと光変調器の両方が無線周波数変調された光信号の高調波生成に使用されてきた。光周波数変調レーザが分散性ファイバと組み合わせられて、D.Wake,I.C.Smith,N.G.Walker,I.D.Henning及びR.D.Carverによって使用された（"Video Transmission Over a 40GHz Radio−fibre Link",Electronics Letters,Vol.28,No.21,pp.2024−2025（1992年））。この技術は制御された量の分散が存在しなければならないという不利益を伴う。マッハ・ツェンダ（MZ）変調器を用いる高調波生成もまた示されている。例えば、j.j.O'Reilly,P.M.Lane,R.Heiderman and R.Hofstetter,“Optical Generation of Very Narrow Linewidth Millimetre−wave Signals",Electronics Letters,Vol.28,No.25,pp.2309−2311（1992年）参照。
一般に、高調波生成を利用するときは、可能とされる最も低い高調波を使用するのが望ましく、その理由は、高い次数の高調波は低いパワーを含むので最大自由空間伝送距離が短くなることによる。しかし、低い次数の高調波を利用して所定の自由空間伝送周波数を発生するようにするためには、高調波生成器はより高い周波数で動作するように設計されなければならない。半導体変調器ではこれが変調器設計の複雑さと、変調器をパッケージするためのコストの増大をもたらす。変調器の設計周波数が増すと、パッケージ内の小さな不完全さが変調器の性能に大きな影響を与えることになるが、その理由は、その寸法が採用する電気信号の波長に近づくことによる。さらに、パッケージのあらゆる共振モードが注意深く解析され、高い周波数で動作する場合には回避されるようにしなければならない。加えて、（接続ワイヤインダクタンスのような）寄生と誘電体材料の損失との両方が高い周波数での変調器の性能に影響を及ぼす。したがって、高調波生成に採用される光変調器が効果的に高調波を生成し、それによって変調器の低周波数設計がなお自由空間伝送用のより高い高調波で十分なパワーを与られるようにすることがとくに重要である。
この発明の目的は、無線周波数変調された光信号を効率的に発生することである。。
この発明の第１の特徴によると、無線周波数変調された光放射源（ソース）が用意され、その構成は、光入力、電気入力及び光出力を有する半導体電子吸収変調器があり、また該半導体電子吸収変調器の電気入力に接続された無線周波数電気放射源を備え、半導体電子吸収変調器の光入力への光信号入力は電気放射周波数の高調波で変調され、該半導体電子吸収変調器の光出力から出力されるものである。
この発明は、半導体電子吸収変調器がそこに加えられた電気的変調周波数の高調波で光信号を効率的に変調することができるという発見に基づいている。
この発明の第２の特徴によると、ファイバ上の無線通信システムが用意され、その構成は、第１のサイトにある無線周波数変調光信号源と、第２のサイトにある送信用無線アンテナと、第３のサイトにある受信用無線アンテナと、光ファイバとを備え、該光ファイバは第１の端が無線周波数変調光信号源と接続され、かつ第２の端が送信用無線アンテナと接続されていて、それにより第１のサイトで生成された信号が光ファイバを経由して第２のサイトに光によって伝送され、次に第２のサイトにある該送信用無線アンテナから自由空間を経て第３のサイトの該受信用アンテナへ伝送されるようにされ、また該無線周波数変調光信号源は半導体電子吸収変調器で構成されている。
この発明の第３の特徴によると、変調された光信号を生成する方法が用意され、その方法は次の段階で成る：
光信号を半導体電子吸収変調器に入力する；
電気変調信号を半導体電子吸収変調器に加える；
該電気信号の高調波で変調された光信号を電子吸収変調器から出力する。
この発明の実施例は、例として、図を用いて記述していく。
図１は、高調波生成を測定するための実験上の構成を示す。
図２は、この発明の電子吸収変調器の模式図である。
図３は、波長1555nmにおける電子吸収変調器の吸収特性を示すグラフである。
図４は、電子吸収（EA）及びマッハ・ツェンダ（MZ）変調器によって生成された最初の５つの高調波の最大電気的パワー（電力）レベルを示し、（ａ）は電気的駆動パワーが＋16dBmの時に理論的に予測される性能を示し、（ｂ）は電気的駆動パワーが＋16dBmの時に実験的に観測された性能を示し、（ｃ）は電気的駆動パワーが＋22dBmの時に理論的に予測される性能を示し、（ｂ）は電気的駆動パワーが＋22dBmの時に実験的に観測された性能を示す。
図５は、電気的駆動パワー＋22dBmに対する電気的高調波パワーレベルの変動をバイアス電圧について示す。
図６は、EDFAと一緒に使用した場合にEA変調器により生成される最初の５つの高調波の実験的に観測された最大電力（パワーレベル）を示すグラフである。
図１は、この発明による無線周波数変調光放射源（ソース）を示し、その構成は、半導体電子吸収変調器１と、無線周波数電気的放射源２とで成る。半導体電子吸収変調器１には光入力３、光出力４、及び電気入力５がある。図１にはまた、電子吸収変調器１の光入力３に接続されているレーザ６と、電子吸収変調器１の光出力４に接続されている光ファイバ７と、高速フォトダイオード18と、RFスペクトラムアナライザ19とが示されている。
図２は、電子吸収変調器１を詳細に示す。電子吸収変調器１は半導体成長分野で知られている標準のMOVPE技術を利用して成長されている。電子吸収変調器は逆バイアスされたPIN接合と、光導波路との組合せで成る。ｎ形InP基板層9n形InPバッファ層15が成長される。バッファ層15は３μｍの厚さで１×10¹⁸cm^-3Sでドープされている。バッファ層15上には電子吸収層14が成長され、この上には厚さ0.4μｍのZn5×10¹⁷cm^-3ドープされたInPの層13がある。これら３つの層13,14,15がPIN接合と光導波路との両方を形成している。図２に示すリッジ（山の背）構造を得るために、標準的なフォトリソグラフィ、エッチング及びオーバーグロース技術が採用される。PIN接合は鉄をドープした10¹⁷cm^-3の（半絶縁性）電流阻止構造内に埋め込まれていて、電子吸収変調器に加えられた変調電圧が電子吸収層14をまたいで進むようにしている。ｎ−InP基板９はTiAu層によって金属化（メタライズ）されて接触層８を作り、デバイスの上部はASG（ヒ素シリケート・ガラス）誘電体層11によってパッシベート（passivate:被覆保護）されている。p⁺⁺三種接触層16とTiAuボンドパッド17を介しデバイスの上部で接触がとられている。
電子吸収層14は17周期の94ÅInGaAsP井戸（λ＝1.55μｍ）と55ÅInGaAsPバリヤ（λ＝1.1μｍ）の多量子井戸構造で成る。この多量子井戸構造は、当業者に既知の方法で、量子閉じ込めスターク効果（quantum confined Stark effect）を利用して鋭い吸収特性を得ることができるように設計されている。
電子吸収変調器１に加えられた電圧で吸収に大きな変化を生じさせるために、多量子井戸（MQW）構造は、電子吸収変調器１への電界の供給が電子吸収変調器１の動作波長を通ってMQW構造の励起ピークをシフトするように設計されなければならない。MQW構造としてここで開示するものは、電子吸収変調器への入力波長が1555nmで最も効率的に動作する設計である。電子吸収層14の下側にはｎドープのInP層15があってPIN接合を完成させている。
電子吸収変調器１は光導波路の方向に325μｍ長となるように選ばれた。電子吸収変調器の長さを増大させると、そのキャパシタンスも増大し、それが動作速度を低下させる。しかしながら、大きな変調器深度、すなわちオンとオフとの状態の間で良いコントラストを得るためには、デバイスを通じての大きな吸収が求められる。吸収はデバイスの長さと、閉じ込め因子（confinement factor）とともに増加するが、閉じ込め因子の増加は所定の印加電圧に対しての電子吸収層にわたる電界を低減させる。150ないし350μｍでの電子吸収変調器はこういった競合要件の間で良い妥協を示すことが発見されている。電子吸収変調器チップは端面（ファセット）3,4で反射防止コーティングが施され、高速のファイバピグテール付きモジュール内にパッケージされている。1MHzにおけるこのデバイスのキャパシタンスは0.47pFと測定されており、また、15Ω,10nFインピーダンス整合回路を利用すると、パッケージした電子吸収変調器の小さな信号に対する3dB電気帯域幅は10.7GHzである。パッケージされたデバイスは入力波長1555nmにおいて、オン状態のファイバからファイバまでの挿入損失が10.8dBである。電子吸収変調器の測定した吸収特性は図３に示してある。図３から分かるように、デバイスは鋭い吸収特性を有している。
電子吸収変調器が無線周波数変調光信号を高調波で生成することができる効率を示すために、電子吸収変調器を理論的及び実験的の両方でマッハ・ツェンダ変調器と比較する。この比較に使用したマッハ・ツェンダ変調器は、市販のTi:LiNbO₃ MZ変調器（型式番号Ｙ−35−8931−01）で、GEC Advanced Optical Products社（West Hanningfield Road,Great Baddow,Chelmsford,Essex,U.K.在）から求めたものである。このマッハ・ツェンダ変調器は帯域幅が8GHz、最小光挿入損失が9.5dB、Ｖ_π値（最大透過から最小透過まで変調器を駆動するのに必要とされる印加電圧）がDC変調と2.5GHz変調とで、それぞれ7.7Vと14.9Vであった。これら２つの値が著しく異なるのは、MZ変調器がRF周波数で駆動されるときは、インピーダンス変成器を進行波電極（特性インピーダンス22Ω）を50Ω入力に接続するのに使用することによる。２つの変調器の比較実験のために、図１の構成が利用される。電気的発振器２の駆動周波数は2.5GHzに設定されて、比較の結果が変調器の制限された電気的周波数応答により影響されないようにした。レーザ６から変調器への光入力パワーは1mWに設定され、各変調器によって生成される高調波が高速フォトダイオード18（帯域幅18GHzのもの）とRFスペクトラムアナライザ19とを用いて測定された。最初の５つの高調波のパワーが各変調器に加えられたDCバイアス電圧の範囲にわたって測定された。両方の電子吸収変調器に対して、測定が2.5GHz正弦波電気的波形を持つ印加パワーの２つの値（＋16及び＋22dBm）について行われた（50Ω負荷をまたいだ測定による）。
電子吸収変調器を用いた高調波生成は図３に示す吸収特性に対してスプライン（spline）曲線を当てはめて、かつ、正弦波駆動電圧を印加した結果である透過した光強度のフーリエ級数振幅を計算することによってモデル化された。結果は、光入力パワー1mWで正規化し、かつ理想的なフォトダイオード特性をRF出力パワーの変換で仮定した。実際の変調器挿入損失は計算で使用された（10.8dB）。
マッハ・ツェンダ変調器は電子吸収変調器と同様にモデル化した。Ｖ_πの実効値はシステムインピーダンス（50Ω）から変調器伝送線路インピーダンス（22Ω）へ内部インピーダンス変換をした結果の故に、特定された数値とは異なっている。採用した特定の変調器に対してＶ_πの実効値は15Vとなるように計算されている。
理論的に予測される最大のRFパワーレベル、また実験的に得られたRFパワーレベルを各高調波について、また２つの変調器の形式について、かつ両方の印加信号レベルについて、図４に示した。プロットした値は100％の量子効率を持ち、かつ無限大の帯域幅を持つ理想化したフォトダイオードによって得られたであろうものであり、したがって、図４内の各高調波の相対的なレベルはその周波数における実際のフォトダイオード応答性からは独立したものである。図から分かるように、予測した結果と実験の結果とはよく一致している。両方の駆動レベル（16及び22dBm）で、EA変調器は高次の高調波を生成するのにMZ変調器よりも一層効率的である。図４で示した変調器性能を正確にモデル化するために使用したのと同じモデル形成作業を用いると、EA変調器駆動パワーが＋16及び＋22dBmで用いたのと同じように効率的に５つの高調波を計算することができ、MZ変調器はＶ_π’の値として駆動周波数でそれぞれ2.9及び4.4Vという低い値をとることが必要とされる。ファイバ無線応用にとって好ましい周波数（18,30及び66GHz）でキャリヤを発生するためには、変調器はEAとMZとの性能比較に用いた2.5GHzよりも高い周波数で駆動されなければならない。EA変調器は10GHzを超える帯域幅をもち、したがって電気的変調周波数が2.5GHzよりも高いときに光キャリヤもこういった高い周波数で効率的に発生されることが期待される。既知のMZ変調器では、同じ駆動パワーを用いたときに第５高調波をEA変調器と整合する効率で生成することができるようにするために、十分に高い周波数で、十分に小さなＶ_π’値をもつものは存在しない。
両方の電子吸収変調器とマッハ・ツェンダ変調器との性能は、変調器に加えられるDCバイアス電圧で著しく変化する。これは図5aから電子吸収変調器について、また図5bからマッハ・ツェンダ変調器についてはっきりと分かることであり、図５は最初の５つの高調波について測定した電力（パワー）レベルを電気的な駆動パワー＋22dBmについてバイアス電圧に対して示し、入力光パワーレベルは同じとし、また理想化したフォトダイオードに対して示している。
マッハ・ツェンダ変調器ではなく、電子吸収変調器を利用する別な利点は、一層効率的に高調波生成をするということに加えて、図３から論理的に導くことができる。図３から、DCと高調波のパワーレベルは電子吸収変調器にあっては高い逆バイアスの下に収束し、マッハ・ツェンダ変調器ではそうはならないことが分かる。この収束は適切なバイアス電圧において、マッハ・ツェンダ変調器よりも一層よい変調深度をもつことになる。このことは、フォトダイオードの飽和を妨げるだけでなく、もし光増幅器を使うことがある場合についても重要である。入力光信号が大きな変調深度をもっているとき、すなわち低い直流成分のときは、与えられた光増幅器に対して光増幅器が飽和に至る前に一層有効な光利得が得られる。
この効果はエルビウムをドープしたファイバ増幅器（EDFA:分散帰還形レーザ）を利用した、入力パワーが−20dBm以上で出力パワー飽和が＋15dBmであり、電子吸収変調器から放出される光信号を増幅する実験で示されている。EDFAは次段に光減衰器があり、14dBに設定されていて、フォトダイオードの飽和を避けるようにしている。電気的スペクトラムの高調波パワーレベルの測定が、EA変調器に加えられたパワーが＋16及び＋22dBmの2.5GHzの信号について行われた。測定された高調波の値は、光減衰器がないときに、理想化したフォトダイオードから生成されるウォルド（wold:平担部）を電力レベルに与えるように補正が加えられ、その結果が図６に示してある。高調波番号が増大すると、パワーの減少はEDFA使用しなかった（図４）ときと同じ駆動パワーで観測されるよりも小さい。こうして、EA変調器は、伝送に先立って信号をブーストするのに光増幅器を用いるときは、ファイバ上の無線システムでの高調波生成に有利に使用される。ここで記述したこの発明の特定の実施例では、多量子井戸電子吸収変調器を採用したが、当業者であれば、バルクの半導体電子吸収層もこの発明に採用することができることを理解するであろう。この場合は、Franz−Keldsh効果を採用して、印加した電圧で電子吸収変調器の吸収の変化を強調することができる。さらに、ここで記述した電子吸収変調器は逆ｐ−ｎ接合構造を採用したが、当業者であれば、別な半導体構造として、例えばｎ−ｉ−ｎ構造とか、ショットキー構造とかを採用できることを理解するであろう。

Claims (6)

1. 周波数Ｆで動作する無線リンクを含んでいるファイバ上の無線通信システムであって、
   第１のサイトにある無線周波数変調された光信号源と、
   第２のサイトにある該無線リンク用の送信用無線アンテナと、
   第３のサイトにある該無線リンク用の受信用無線アンテナと、
   第１の端が、該無線周波数変調された光信号源に、また第２の端が、該送信用無線アンテナとに接続されている光ファイバとから成り、
   第１のサイトで生成された周波数がＦである信号が該光ファイバを経由して第２のサイトへ光によって伝送され、次に、第２のサイトにある該送信用無線アンテナから自由空間を経て第３のサイトの該受信用無線アンテナへ向けて該無線リンク上で伝送され、該無線周波数変調された光信号源が半導体電子吸収変調器を備えていて、該変調器は、周波数Ｆよりも小さくかつ周波数Ｆがその高調波である周波数ｆで動作している、無線周波数電波源により駆動されるファイバ上の無線通信システム。
2. さらに、前記第１のサイトと前記第２のサイトとの間に位置し、無線周波数変調された光信号を増幅するための光増幅器を備えた請求項１に記載のファイバ上の無線通信システム。
3. 周波数Ｆは周波数ｆの第３次以上の高調波となっている請求項１又は２に記載のファイバ上の無線通信システム。
4. 前記電子吸収変調器に加えられる電気駆動信号の第２次もしくは第２次以上の高調波が、前記第１のサイトから前記第３のサイトへ向けて通信データを送るために採用されている請求項１乃至３の１項に記載のファイバ上の無線通信システム。
5. 請求項１に記載のファイバ上の無線通信システムで使用するための無線周波数変調された光信号源であって、該光信号源が半導体電子吸収変調器を備えていて、該変調器は光入力と、電気入力と、光出力とを有しており、また、周波数ｆを有していて、かつ半導体電子吸収変調器の電気入力に電気的に接続されている無線周波数電波源を備えていて、該半導体電子吸収変調器の光入力への光入力信号が変調されて電波周波数の高調波である周波数Ｆを含む変調された光信号が該半導体電子吸収変調器の光出力から出力される光信号源。
6. 第１のサイトで光キャリヤが無線周波数光信号で変調されるファイバ上の無線通信システムを動作する方法であって、
   該変調された光信号が光ファイバに沿って第２のサイトへ運ばれてそこで送信用アンテナをフィードし、無線周波数信号が該アンテナから第３のサイトにある受信用無線アンテナに向けて送られ、
   該方法は、光キャリヤを電子吸収変調器を用いて変調する段階を備えており、該変調器には周波数ｆの無線周波数電気信号が周波数Ｆで変調された光信号を作るために加えられており、周波数Ｆは周波数ｆより高く、かつ周波数ｆの高調波となっている方法。

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