JP3768940B2

JP3768940B2 - 光送信器およびこれを用いた波長多重光通信システム

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Publication number: JP3768940B2
Application number: JP2002265190A
Authority: JP
Inventors: 多寿子富岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: JP2004104562A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接変調を用いた高速光通信用の光送信器およびこれを用いた光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信は年々高速化している。1波長当たりの伝送レートが10Gbit/sのリンクは実用化されており、近い将来、40Gbit/sの製品が実用化される見通しである。このような超高速通信は長距離リンクのみでなく、敷地内やビル間、局間の比較的短い距離にも適用される。短・中距離伝送で長距離伝送と同様の受信端での伝送品質を得ようとした場合、リンク中での品質劣化が小さいため、送信端での高い信号品質は求められない。また、短・中距離用リンクは長距離リンクより、1つのシステムに使用される数が多い。そのため、短・中距離用送信装置は長距離用送信装置よりもコンパクトさ、低コスト性が求められている。
【０００３】
従って、これら短・中距離用送信器には、性能は良いけれども大型で高価な外部変調方式よりも、送信側品質は多少劣っても小型で安価な半導体レーザ直接変調が望まれる。
【０００４】
しかしながら、10Gbit/s、40Gbit/sと伝送レートが増加するとレーザの直接変調による伝送は主に2つの理由から容易でなくなる。一つ目の理由は、半導体レーザの緩和振動である。緩和振動周波数は主にレーザキャビティ中のキャリアと光子のライフタイムによって決定するが、これが半導体レーザの変調帯域を制限している。10Gbit/sの場合は7GHz程度までの変調帯域で良いため、緩和振動による帯域制限は最近では克服されているが、40Gbit/sでは25GHz〜30GHz程度の変調帯域が必要であり、現時点で十分に克服されたとは言い難い。40Gbit/sの直接変調において変調帯域以外の性能も含めて十分な性能を得るためには、いくつかのブレークスルーが必要な状態である。
【０００５】
ところで緩和振動周波数はレーザのバイアス電流を増加させると高くなっていく傾向がある。すなわち閾値近辺で小信号で駆動した場合より、閾値よりも大幅に高いバイアスを掛けて小信号で駆動した方が変調帯域が広くなる。10Gbit/s直接変調用レーザの中で比較的広帯域なものは、バイアスを非常に高くすることにより、40Gbit/sの変調が可能な程度まで広帯域にすることが可能である。しかし、これはあくまでも小信号で駆動した場合であり、消光比("1"に対応する光パワーと"0"に対応する光パワーの比)を十分大きく取ろうとした場合、すなわち"0"レベルを光が無い状態に十分近づけようとした場合には、大振幅での動作が必要となり、閾値近辺の変調帯域が小さい領域の影響を免れない。
【０００６】
このような影響を回避するための方法として、高いバイアスで小信号で変調を施してから、光フィルタによって"0"に相当する光を除去して消光比を高める方法がある（例えば、特許文献1参照）。半導体レーザの出力光では波長チャーピングによって、波形の立ち上がり・立ち下がり時に瞬時周波数が変化していく。従って、変調光の光スペクトルはFM(周波数変調)とIM(強度変調)を混合したものとなっており、光スペクトルの長波長側は"0"に相当し、短波長側は"1"に相当する部分となっている。この"0"に相当する部分を光フィルタで除去することによって、消光比が改善できるというものである。
【０００７】
ところで、直接変調で超高速光通信を行う場合のもう1つの問題は、波長チャーピングによる光スペクトルの広がりである。チャーピングがあると、光ファイバの分散の影響を受け、波形歪みが発生する。特許文献1に記載された方法のように"0"のスペクトルの山を除去し、"1"の山だけ残す方法では、どれだけきれいに"0"を除去できるかが、どれだけ分散に強い信号をつくれるかというポイントとなる。光通信がより低速であった時代にも、特許文献1と同様の発明がなされている(特許文献2参照)。当時の半導体レーザは現在より低速であり、同時にFM変調効率が高かった。そのため、特許文献2の第2図に示されるように"1"(オン)と"0"(オフ)の山が明確に分かれており、ほぼ"0"だけをきれいに除去することが比較的容易であった。
【０００８】
緩和振動周波数を高周波化すると、一般にレーザのFM変調効率が下がっていく。常識的に考えれば、高速化と同時に低チャープのレーザが作れるため望ましい方向であるが、特許文献1,2に記載された方法を取る場合には問題が生じる。FM変調効率の低下によって"0"と"1"の瞬時光周波数差が小さくなる一方、変調データの高速化によってそれぞれの山の幅は広がるため、"0"と"1"の山の重なりが多くなる。その結果、いかに急峻な特性の光フィルタを使用しても"0"と"1"を完全に分けることは困難となる。その場合、分散の問題を優先するならば、できるだけ"0"を削る方向を採用することになるが、同時に"1"のパワーの多くが削られてしまう。これでは直接変調の大きな利点の1つである高パワーな送信が可能という利点がなくなってしまう。すなわち、リンク中の損失に対するトレランスが小さくなり、光スイッチ等の部品の挿入が困難になる。しかし、"1"を削らないようにするため、"0"を或る程度残す方向を採用すれば分散の影響は免れない。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１５８６３９号公報
【特許文献２】
特開平０１−２９６７２６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来、直接変調光信号の消光比を光フィルタを用いて改善しようとする場合、データレートが10Gbit/s、40Gbit/sというような超高速変調では、"0"と"1"のスペクトルの重なりが大きくなった。そのため"0"だけをきれいに除去できず、"1"のパワーも削ってしまい出力光パワーが小さくなるか、あるいは"0"が残って分散の影響を強く受けるかのいずれかであった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本願第１の発明では、データによる直接変調が可能な半導体レーザチップと、光を外部に出力するための出力端と、前記レーザチップと前記出力端の間に挿入された光フィルタを有する光送信器であって、前記光フィルタは、帯域通過フィルタ、帯域阻止フィルタ、短波長通過フィルタのいずれかであり、前記レーザチップ出力波長近傍の長波長側の阻止域から短波長側の通過域への遷移部分において、長波長から短波長に向けて群遅延が概略増加し、前記データのデータレートをＲ(bit/s)としたとき、前記遷移部分内に存在する3dBダウンの波長から短波長側に向かってＲ(Hz)の帯域内では、群遅延が短波長に向かって、前記遷移部分内の群遅延の最大値より1/(5R) (sec)以上減少せず、前記レーザチップは大きなバイアス電流で消光比が悪い状態で駆動され、前記レーザチップ出力光の光スペクトルは前記データの”０”および”１”にそれぞれ対応するピークを有し、前記光フィルタの透過損失特性が前記レーザチップ出力光の”０”のピークを削るように、前記光フィルタと前記レーザチップの光波長の関係を保つための手段を有することを特徴とする光送信器を提供する。
【００１２】
さらに本願第2の発明では、前記光フィルタはダブルキャビティの誘電体多層膜フィルタであることを特徴とする本願第1の発明の光送信器を提供する。
【００１３】
本願第3の発明では、前記データが前記レーザチップに印加される前に、電気フィルタにて帯域制限を施すこを特徴とする本願第1の発明または本願第2の発明の光送信器を提供する。
【００１４】
本願第４の発明では、前記光フィルタは可変であり、前記光波長の関係を保つための手段は、レーザチップの発振波長の変動に追従するよう制御する光フィルタ制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１記載の光送信器を提供する。
【００１５】
本願第５の発明では前記レーザチップの温度が可変であり、前記光波長の関係を保つための手段は、レーザチップの出力波長が前記光フィルタの前記遷移部分の波長に対して相対的にロックするよう制御する温度制御手段を有することを特徴とする請求項1乃至請求項３のいずれか１記載の光送信器を提供する。
【００１６】
本願第6の発明では、前記光フィルタの反射光を検出する反射光検出手段および前記半導体レーザチップの後方からの出力光を検出するパワーモニタ手段を有し、前記反射光検出手段およびパワーモニタ手段の出力を用いて、前記光フィルタを制御することを特徴とする本願第４の発明の光送信器を提供する。
【００１７】
本願第７の発明では、前記光フィルタの反射光を検出する反射光検出手段および前記半導体レーザチップの後方からの出力光を検出するパワーモニタ手段を有し、前記反射光検出手段およびパワーモニタ手段の出力を用いて、前記レーザチップの温度を制御することを特徴とする本願第５の発明の光送信器を提供する。
【００１８】
本願第８の発明では、本願第5の発明または第７の発明の光送信器を用いた波長多重光通信システムであって、前記光送信器の出力光を波長合波器に入力する時には、前記出力光の中心波長が前記波長合波器の帯域通過特性の中心波長より長波長側にあり、前記出力光が波長分波器に入力する場合には、前記出力光の中心波長が前記波長分波器の帯域通過特性の中心波長より短波長側にあるように各々の波長が設定されていることを特徴とする光通信システムを提供する。
【００１９】
本願の発明では、従来の構成において光フィルタに特定の特性を有する物を用いることにより、送信端にて特定の群遅延分散特性を与えることを特徴とする。すなわち、図2に示すように光フィルタの阻止域から通過域にかけての群遅延は長波長から短波長に向かって、概略増加する物を使用する。このように長波長から短波長に向けて群遅延が増加するような光フィルタを通すことによって、本発明の光送信器の出力光が正分散媒質を通過する場合、分散をある程度予めうち消すことができる。概略としたのは、途中にリップル等がある場合があるからである。光フィルタの透過域に群遅延のリップルが加わると信号が歪むため、問題となるのは主に透過域近傍のリップルである。
【００２０】
図2の例では、透過損失特性はなだらかな山状に変化していくが、群遅延特性にはリップルが出ている。光フィルタは一般に、透過域の端にこのようなリップルが出ることが多い。本発明のような構成を取った場合、透過域の端は、データの"0"に相当する成分と"1"に相当する成分の変わり目であるため、この部分でリップル、すなわち長波長から短波長に向かって群遅延が減少していくような部分があると、分散を予めうち消す効果がうすれてしまうか、逆に分散を予め付加してしまう。例えば、図3(a)は分散が全くない状態の理想的なアイパターンである。正分散が加わることによって図3(b)のような"0"が遅れた波形となる。これを予めうち消すには送信端で図3(c)のような波形にしておくと、受信端では図3(a)のような波形が得られる。
【００２１】
図4は本発明には適用できない、リップルが大きすぎるファイバブラッググレーティング(FBG)フィルタの例である。レーザチップとFBGの間にサーキュレータを挿入し、FBGで反射してきた光を光送信器の出力光として出力させる場合のFBGの反射特性を示している。図4(a)は反射損失特性であり、図4(b)は反射光の群遅延特性である。長波長側の阻止域から短波長側の透過域に向かって群遅延は一旦増加するが、その後、大きく減少する。このようなフィルタを用いると、長波長から短波長に向かって減少する部分の影響が大きく、光フィルタで反射してきた光は図3(c)のような波形ではなく、図3(b)のような波形となり、その後の正分散の影響によってさらに歪んだ波形となる。
【００２２】
本発明では、リップル等によって短波長に向かって群遅延の減少があっても、その最大値は変調データの1スロットに対応する時間の1/5までである光フィルタを使用する。これを規定する範囲は、図2に示すように、阻止域から透過域への遷移部分にある透過ピークから3dBダウンの波長から短波長側にデータレートに相当する周波数(波長)の範囲である。データレートはbit/sという単位であり、次元的にはHzと同等の単位であって波長幅とは1:1の対応がついている。例えば1550nm帯で10GHz≒0.08nmである。本願のようにレーザを消光比の悪い状態で駆動した場合の光スペクトルの一例を図5に示すが、"0"と"1"に対応するそれぞれのピークがあり、それぞれの山はデータレート相当のスペクトル広がりを持っている。従って、3dBダウンの波長から短波長側にデータレートに相当する波長範囲というのは、"1"に相当する山をカバーする範囲と同等である。
【００２３】
1スロットの1/5という数字に関して説明する。例えば図3(a)は"0"と"1"の位置が等しいが、図3(b)では"0"が"1"より1スロット時間の1/3程度遅れている。図3(c)では"0"が"1"より1スロット時間の1/3程度進んでいる。これらの進み遅れの時間が1スロット時間の1/5程度以内であれば、波形歪みが顕著でなく、誤り率に大きな影響を及ぼさない。
【００２４】
このような光フィルタを用いて消光比を改善することによって、消光比のみでなく分散に対する耐力が向上し、低コストな直接変調方式を用いつつ、より、高品質の伝送が可能となる。
【００２５】
光フィルタとしては、具体的にはダブルキャビティの誘電体多層膜フィルタが望ましい。光フィルタには種々の種類があり、"0"のピークと"1"のピークを分けるためには阻止域から透過域への損失の遷移部分ができるだけ急峻である必要がある。しかし、一般に急峻にするためにキャビティ長を長くしたり、キャビティ数を多くしすぎると、例えば図4のFBGの例のように群遅延特性にスパイクが出たり、リップルの振幅が大きくなりすぎて、本発明の光フィルタには適さない物となる。ダブルキャビティの誘電体多層膜フィルタは比較的急峻な遷移部分を有しつつ、群遅延特性に大きなスパイクが出ない程度に緩いため、本発明の光フィルタとして最適である。
【００２６】
さらに、本願の発明では、レーザチップにデータを印加する前に、データが電気フィルタによって帯域制限される形態が望ましい。レーザチップにデータを印加する場合、通常、レーザドライバ回路の出力を印加するが、ドライバ回路は出力段でトランジスタを飽和領域で駆動するため、出力波形に情報量的に必要となる以上の高調波を含んでおり、波形の立ち上がり、立ち下がりが必要以上に急峻になっている。このような状態のままデータをレーザチップに印加すると、高調波が緩和振動周波数にかかり、波形がリンギングを起こす。また、レーザドライバの帯域が小さく、波形の立ち上がり/立ち下がりが急峻でない場合でも、レーザの緩和振動周波数が低い場合には緩和振動によって波形にリンギングが発生する。このように緩和振動によるリンギングが発生すると、波形の劣化のみでなく、光スペクトルが不安定となり、光フィルタで"0"と"1"を分けることが困難になる。そこで、高調波によって緩和振動が励起される場合には高調波を予め抑圧する電気フィルタを挿入する。緩和振動周波数が低くデータの基本波部分が緩和振動周波数に掛かる場合は、緩和振動周波数に掛かる部分の周波数成分を抑える電気フィルタを挿入する。
【００２７】
このようにすることによって"0"と"1"を緩和振動周波数の影響無く良好に分離することが可能となる。
【００２８】
さらに、本願の光送信器では、光フィルタとして可変のものを使用してもよい。レーザチップの出力波長は、温度変化やバイアス電流、データ電流振幅等の変化によって変動するが、光フィルタがレーザチップ出力波長に追従するように制御する手段を有することによって、常にその時点で最適に近い光送信器出力光が得られるようになる。
【００２９】
あるいは、レーザチップの温度を制御する手段を有し、レーザチップの経年劣化や注入電流の変化による波長変動を、レーザチップの温度を制御して波長を光フィルタに対してロックし、常にその時点で最適に近い光送信器出力光が得られるようにする。
【００３０】
これらの光フィルタの制御やレーザチップの温度制御は、光フィルタの反射光を検出する手段と、レーザチップの後方からの出力光を検出する手段を備えて、これらの出力を処理することによって行う。このようにすることによって、レーザチップの前方からの出力や光フィルタの透過光を制御のためにわざわざ分岐する必要がなく、従って光送信器の出力光のパワーを高い状態で保つことが可能となる。
【００３１】
レーザチップの温度を制御して、光フィルタに対して波長をロックする方法を用いた場合、特性の経年劣化や温度変動が小さい光フィルタを使用すれば、光送信器出力光の波長をほぼ一定に保つことが可能となる。また、本願の光送信器の出力光は直接変調光ではあるが、光フィルタによってスペクトル整形されているため、比較的スペクトルがコンパクトである。したがって、中心波長が安定化していれば、波長多重光通信に用いることが可能である。
【００３２】
波長多重光システム中の合波器に本願の光送信器の出力光を入力する場合は、より消光比を改善するため、出力光の中心波長を合波器の透過特性の中心波長より長波長側になるようにして、残留している"0"の一部が除去されるようにすると良い。この場合、合波器の隣接チャンネルの透過帯域に除去され残った"0"の情報が入ってしまうことがある。図6で説明する。図6(a)で点線で示した山は合波器の透過特性である。本願の送信器出力光6を合波器のチャンネルi+1に入力する場合、図のようにチャンネルi+1の長波長側に寄せて入力する。その結果、出力光6のスペクトルの右端の"0"の山に相当する部分がチャンネルi+2に若干漏れ入るような形になる。チャンネルi+2には他の光が入るので、その光にとってはチャンネルi+1から入ってきた"0"の山は雑音となる。そこで、波長多重された光を分離する分波器においては、図6(b)のように隣接チャンネルに漏れ入った"0"の情報を元の光と一緒にチャンネルi+1として切り出す。図6(b)において一点鎖線で表される特性は、分波器の透過特性である。分波器の透過特性の中心より、送信器出力光の中心波長を短波長側にずらして用いる。
【００３３】
このようにすることによって、隣接チャンネルへのクロストーク無しに、波長合波器を利用してさらに消光比を改善することが可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図1は本願第1の発明の実施の形態を示す図であり、本願の光送信器に内蔵する半導体レーザモジュールを説明するための機能ブロック図である。
【００３５】
半導体レーザモジュール3の中に半導体レーザチップ4があり、駆動信号入力端子7から半導体レーザチップ4を駆動するためのバイアス電流やデータ信号電流が入力され、発光する。その発光波長は1550nm帯であり、バイアス電流は通常の直接変調より大きな値であって、消光比が悪い状態で駆動される。その出力光はレンズ5-1にて平行光になり、光フィルタ1を通過した後、レンズ5-2によって集光され、光ファイバ2に結合されて半導体レーザモジュール3から出力される。光フィルタ1によって消光比が改善している。
【００３６】
このとき、光フィルタの特性は例えば図2に示すようなものである。図2は帯域通過フィルタの例であるが、長波長の阻止域から短波長の透過域に向かって、透過特性の群遅延が概略増加する。透過域のピーク近辺では大抵の光フィルタは群遅延リップルを持つ。また、透過域を越えてさらに短波長側の阻止域にさしかかると群遅延が短波長に向かって減少する。半導体レーザチップに印加されるデータのデータレートをR (bit/s)としたとき、長波長側の3dBダウンの波長点から、短波長側に向かってR (Hz)の帯域内では、その中の群遅延の最大値より1/5Rより多く短波長に向かって減少することはない。1550nm帯の光をシングルモードファイバを伝送させるとき、正分散を被るが、本願のような光フィルタを用いると、光フィルタの群遅延特性がシングルモードファイバの分散をうち消す方向にあるため、着信時に分散による波形劣化が少ない良好な伝送が可能となる。
【００３７】
このように、消光比を改善させるための光フィルタに特定の群遅延特性を持たせることによって、直接変調による低コスト・小型化だけでなく、分散の前置補償が可能となり、より良い伝送品質、またはより長い伝送距離が確保できる。直接変調の場合、光送信器出力が大きいことが1つの魅力であるが、これまでは、光ファイバの損失による劣化より、分散による劣化によって伝送距離が制限されていた。本願の構成によって、別個の分散補償素子を追加することなく、分散の影響を抑圧することが可能になった。
【００３８】
図7は半導体レーザモジュール3の中の光フィルタ1の構成例であり、ダブルキャビティの誘電体多層膜フィルタの例である。図の白い部分は低屈折率のλ/4膜(λは波長、ここでは例えば1550nm)、図のグレーの部分は高屈折率のλ/4膜である。これらを交互に積むことによってブラッグミラーが形成されており、ブラッグミラーの間に低屈折率のλ/2膜を挟むことによって1つのキャビティが構成されている。このようなキャビティ2つ(8-1キャビティ1、8-2キャビティ2)によって、ダブルキャビティの誘電体多層膜フィルタが構成されている。このようなダブルキャビティの誘電体多層膜フィルタの特性の例は例えば図2のようである。この例では3dB(FWHM)透過帯域幅がおよそ0.3nmであり、透過帯域内の群遅延リップルは1ps程度である。これを10Gbit/sで用いる場合3dBダウンの波長点から短波長側に向かって10GHz内の帯域内には1ps(pico second)のリップルがあるのみであり、10Gbit/sの1スロット時間に対応する100psの1/5よりは遙かに小さい値となっている。40Gbit/sで用いる場合、3dBダウンの波長点から短波長側に40GHzの帯域内では、1psのリップルの他に、短波長側の阻止域に突入するための群遅延の減少がある。それでも40Gbit/sの1スロットタイム25psの1/5である5psまでは短波長側に向かって減少してはいない。
【００３９】
このようにダブルキャビティの誘電体多層膜フィルタはそこそこの遷移領域の急峻さとリップルの小ささを持っているため、本願の光フィルタに最適である。
【００４０】
もちろん、長波長側の阻止域から短波長側の通過域に向かっての群遅延の特性が同様であれば、帯域通過フィルタのみでなく、帯域阻止フィルタ、短波長通過フィルタを使用しても良い。
【００４１】
次に、半導体レーザチップにデータ信号を印加する前に電気フィルタにてデータ信号を帯域制限する場合の構成例を図８に示す。半導体レーザモジュール3は図1に示すものと同等の構成を取っている。レーザチップに電流を印加するための駆動信号入力端子７への入力は、バイアス電流とデータ信号電流の2つの電流の和である。バイアス電流はバイアス電流印加端子10から入力される。データ信号電流はデータ入力端子１１から入力されたデータ信号が電気フィルタ９によって帯域制限されて、駆動信号入力端子7に合流する。
【００４２】
電気フィルタ9の特性は例えば次のようである。図９を用いて説明する。図９(a)はレーザチップの周波数応答を示しており、12-1は比較的高周波まで駆動できるレーザチップの場合の周波数特性である。高周波側にあるピークが緩和振動によるピークである。一方、図９(b)の直線はデータ信号のスペクトルであり、データレートR(bit/s)のNRZ信号で高調波を多く含んだ矩形に近い波形を有している信号の例である。情報理論としてはおおよそR×0.7程度の周波数までの情報があれば十分であり、それ以上の帯域に含まれる成分は冗長な情報であって、除去しても情報量は変わらない。図９(a)で12-1のような特性を有するレーザチップにデータスペクトル13のようなスペクトルの信号をそのまま印加すると、緩和振動周波数に多くの信号成分が入力されてしまうため、緩和振動が大きく発生してしまう。そこで、図９(b)の14-1のような特性を持つ電気フィルタによって緩和振動周波数に掛かる部分を除去することによって、緩和振動の発生を抑圧することが可能である。
【００４３】
一方、レーザチップの周波数応答が図９(a)の12-2で示したような場合は、緩和振動周波数が低いため、データの高調波部分を除去しただけでは、緩和振動を抑圧することができない。そこで、図９(b)の14-2で示したような特性を有する電気フィルタにデータを通すことによって、データの高周波側をより抑圧し、緩和振動によるレーザチップの周波数特性のピークをキャンセルさせ、リンギングの発生を抑圧すると良い。
【００４４】
このようにすることによって、レーザチップの出力光の光スペクトルの"0"と"1"の成分がより分離しやすい形状となり、光フィルタによって分離した後の波形が良好となる。
【００４５】
図11は図1の形態をベースとして光フィルタが可変の場合において、光フィルタ部分のみを抜き出した図である。可変光フィルタ17の光フィルタ部分は例えばダブルキャビティ誘電体多層膜フィルタであり、これが、回転台18に乗せられている。回転台18は制御信号入力端子19からの信号に従って角度が回転するように構成されている。誘電体多層膜フィルタは光の入射角の変化によって透過帯域の中心周波数が変化する性質を持っているため、このような構成によって可変光フィルタが構成できる。
【００４６】
図10は本願の光スペクトル上での動作を示す図である。図10のように、レーザチップ出力光スペクトル16に対して、光フィルタの透過損失特性が、"0"のピークを削るようになっている必要がある。レーザの出力波長は温度や注入電流の変化で変動するため、図11の光フィルタは光波長とフィルタ波長を常に最適の関係に保つように制御される必要がある。
【００４７】
また、光フィルタを可変にして制御することによってTEC (Thermo-electric cooler)を使用しない小型で低消費電力なレーザモジュールが構成できる。
【００４８】
このようにすることによって、レーザチップの波長変動によらず常に光送信器の出力光の波形を安定に保つことが可能となる。
【００４９】
図12はこのような制御をするための構成の例である。半導体レーザチップ4、レンズ5-1、(可変)光フィルタ17、レンズ5-2、光ファイバ2の順に光が通過して行く部分に関しては図1と同様である。光フィルタ17は可変の帯域通過フィルタであり、制御信号入力端子19から入力される信号に従って回転台18が回転し、その透過中心波長が変化する。可変光フィルタ17の光フィルタ本体で反射した光、すなわち、主に"0"の部分の成分によって構成される光は、回転台18に取りつけられたミラー23によって再び反射し、20フォトダイオード(PD)1によって受光される。ミラー23は光フィルタ本体の反射面に対して垂直に設置されており、光フィルタ本体と併せてコーナーキューブを形成している。回転台の回転の中心は、光フィルタの反射面とミラー２３の交点である。このようにすることによって、回転台が回転して可変光フィルタからの反射光の角度が変化しても、PD1の位置を動かさずに反射光を受光し続けることが可能である。半導体レーザチップの後方からの出力光はPD2(21)によって受光される。PD1およびPD2の出力電気信号はフィルタ制御器２２に入力され、それらを元に可変光フィルタ17を制御するための制御信号が形成され、制御信号入力端子19に送られる。
【００５０】
このようにすることによって、可変光フィルタを制御するために光を新たに分岐する必要がなく、光送信器からより高い光パワーを出力することが可能となる。
【００５１】
PD1とPD2の信号をどのように用いるかについては種々の方法が可能である。例えば、最も簡単な方法は、PD1の出力とPD2の直流出力の比が一定になるように制御する方法である。また、最も適切に光フィルタの中心波長が制御されているときには、PD1の出力電気信号は、光送信器の出力光と"0","1"が反転した信号となり、そのアイが最大に開いている。そこで、より高度な制御として、PD1からの出力電気信号の波形をモニタし、その交流振幅が最大となるように可変光フィルタに制御を掛けてもよい。このとき、PD1とPD2の直流比率も同時にモニターし、可変光フィルタの粗動制御や誤動作の防止に用いると良い。さらに、例えばデータ信号の"0"の側にのみ低周波の制御用正弦波を重畳しておき、PD1で受信される制御用正弦波の振幅とPD1の直流出力の比が最大となっている状態の中で、PD1で受信される直流出力が最大である点に固定するよう制御するなどの方法も可能である。この方法ではPD1で低い周波数成分のみを受光すれば良く、PD1に低コストな低周波用PDを使用することが可能である。
【００５２】
図10のように光フィルタの波長とレーザチップ出力光の波長を適切に合わせるための方法としては、レーザチップの温度を制御する方法もある。図13はレーザチップの温度を制御する場合の構成例である。このとき光フィルタ1は可変ではなく、温度、湿度等周囲環境に対して安定した特性を有しており、経年劣化の小さいものであることが望ましい。半導体レーザチップ4はThermo-electric cooler (TEC)24上に実装されており、温度コントロールできるようになっている。光フィルタ1の透過光は図1と同様に光ファイバ2に結合され、その反射光はPD1によって受光され電気信号に変換される。図12と同様に半導体レーザチップ4の後方からの出力光をPD2で電気信号に変換し、これらを温度制御器25によってTECを駆動するための制御信号に変換する。
【００５３】
図10のような状態に保つためのPD1とPD2の出力の使用法は図12の場合と同様である。
【００５４】
このようにレーザの温度を制御する場合、図12の例のように半導体レーザモジュールをクーラーレスにすることはできないが、光送信器の出力波長が安定となるため、この光送信器を波長多重光通信システムに用いることが可能となる。
【００５５】
波長多重光通信システムの代表的な構成は図14のようである。複数の光送信器26-1〜26-nの出力は波長合波器28に入力され、合波される。この出力は伝送ファイバ30で伝送され、波長分波器29にて個々の波長に分波される。分波された光はそれぞれ光受信器27-1〜27-nで受信される。
【００５６】
本発明においては、個々の光送信器は図13で説明したような光送信器である。波長合波器28に入力する時の波長合波器と光送信器出力光の波長の関係は図6(a)に示すように、光送信器出力光6の中心波長が波長合波器28の透過特性の中心より長波長側に寄っている。波長分波器29と送信器出力光の波長関係は、図6(b)に示すように、光送信器出力光6の中心波長が波長分波器29の透過特性の中心より短波長側にずれている。このようにすることによって、波長合波器・分波器によってより消光比を改善しつつ、隣接チャンネルへのクロストークを抑圧することが可能である。
【００５７】
なお、本願の応用として、波長合波器の群遅延特性が本願第1の発明に記述されているような光フィルタの性能を有しているものを使用し、光送信器内には光フィルタを備えず、波長合波器によって消光比の改善および分散の前置補償を行うことも可能である。この場合は、光送信器は通常の直接変調送信器で良く、光送信器出力光と波長合波器、分波器の波長制御のみによって、本願の効果が得られるため、システム全体としては構成が簡便になる。
【００５８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明では、直接変調光信号の消光比を光フィルタによって改善した場合、データが高速になると、FM変調効率の減少と光スペクトル幅の増加によって"0"と"1"が分離しづらく、"0"の一部が残ってしまい光ファイバの分散の影響を受けやすかった問題を解決するため、光フィルタとして、特定の群遅延特性を持つものを使用することによって、前置分散補償を行う。その結果別個の補償素子を用いることなく、伝送品質、あるいは伝送距離を改善することが可能となり、低コスト・小型な中・長距離用光送信器を構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願第1の発明の実施の形態を示す図である。
【図２】本願第1の発明に用いる光フィルタの特性を示した図である。
【図３】本願の動作を説明するための図である。
【図４】本願に適さない光フィルタの特性例である。
【図５】半導体レーザを消光比の悪い状態で駆動した場合の光スペクトルの一例であるる。
【図６】本願の第４の発明を説明するための図である。
【図７】ダブルキャビティ誘電体多層膜フィルタを説明するための図である。
【図８】本願第3の発明の実施の形態を示す図である。
【図９】本願第3の発明を説明するための図である。
【図１０】本願の動作を説明するための図である。
【図１１】本願第4の発明の実施の形態の一部を示した図である。
【図１２】本願第4および第6の発明の実施の形態を示した図である。
【図１３】本願第5および第７の発明の実施の形態を示した図である。
【図１４】波長多重光通信システムの一般的な形態を示した図である。
【符号の説明】
１・・・光フィルタ、
２・・・光ファイバ、
３・・・半導体レーザモジュール、
４・・・半導体レーザチップ、
５・・・レンズ、
６・・・送信器出力光、
７・・・駆動信号入力端子、
８・・・キャビティ、
９・・・電気フィルタ、
１０・・・バイアス電流印加端子、
１１・・・データ入力端子、
１２・・・レーザ周波数特性、
１３・・・データスペクトル、
１４・・・フィルタ周波数特性、
１５・・・光フィルタ特性、
１６・・・レーザチップ出力光、
１７・・・可変光フィルタ、
１８・・・回転台、
１９・・・制御信号入力端子、
２０，２１・・・フォトダイオード、
２２・・・フィルタ制御器、
２３・・・制御信号入力端子、
２４・・・Thermo-electric cooler、
２５・・・温度制御器、
２６・・・光送信器、
２７・・・光受信器、
２８・・・波長合波器、
２９・・・波長分波器、
３０・・・伝送光ファイバ、

Claims

データによる直接変調が可能な半導体レーザチップと、光を外部に出力するための出力端と、前記レーザチップと前記出力端の間に挿入された光フィルタを有する光送信器であって、
前記光フィルタは、帯域通過フィルタ、帯域阻止フィルタ、短波長通過フィルタのいずれかであり、前記レーザチップ出力波長近傍の長波長側の阻止域から短波長側の通過域への遷移部分において、長波長から短波長に向けて群遅延が概略増加し、
前記データのデータレートをＲ(bit/s)としたとき、前記遷移部分内に存在する3dBダウンの波長から短波長側に向かってＲ(Hz)の帯域内では、群遅延が短波長に向かって、前記遷移部分内の群遅延の最大値より1/(5R) (sec)以上減少せず、
前記レーザチップは大きなバイアス電流で消光比が悪い状態で駆動され、前記レーザチップ出力光の光スペクトルは前記データの”０”および”１”にそれぞれ対応するピークを有し、
前記光フィルタの透過損失特性が前記レーザチップ出力光の”０”のピークを削るように、前記光フィルタと前記レーザチップの光波長の関係を保つための手段を有することを特徴とする光送信器。
前記光フィルタは、ダブルキャビティの誘電体多層膜フィルタであることを特徴とする請求項１記載の光送信器。
前記データに対して、前記レーザチップに印加される前に、電気フィルタにて帯域制限を施すことを特徴とする請求項1または請求項２記載の光送信器。
前記光フィルタは可変であり、前記光波長の関係を保つための手段は、レーザチップの発振波長の変動に追従するよう制御する光フィルタ制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１記載の光送信器。
前記レーザチップの温度が可変であり、前記光波長の関係を保つための手段は、レーザチップの出力波長が前記光フィルタの前記遷移部分の波長に対して相対的にロックするよう制御する温度制御手段を有することを特徴とする請求項1乃至請求項３のいずれか１記載の光送信器。
前記光フィルタの反射光を検出する反射光検出手段および前記半導体レーザチップの後方からの出力光を検出するパワーモニタ手段を有し、前記反射光検出手段およびパワーモニタ手段の出力を用いて、前記光フィルタを制御することを特徴とする請求項４記載の光送信器。
前記光フィルタの反射光を検出する反射光検出手段および前記半導体レーザチップの後方からの出力光を検出するパワーモニタ手段を有し、前記反射光検出手段およびパワーモニタ手段の出力を用いて、前記レーザチップの温度を制御することを特徴とする請求項５記載の光送信器。
請求項５または請求項７記載の光送信器を用いた波長多重光通信システムであって、
前記光送信器の出力光を波長合波器に入力する時には、前記出力光の中心波長が前記波長合波器の帯域通過特性の中心波長より長波長側にあり、前記出力光が波長分波器に入力する場合には、前記出力光の中心波長が前記波長分波器の帯域通過特性の中心波長より短波長側にあるように各々の波長が設定されていることを特徴とする波長多重光通信システム。