JP4062098B2

JP4062098B2 - 光送信装置

Info

Publication number: JP4062098B2
Application number: JP2003005236A
Authority: JP
Inventors: 雅博青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: JP2004221804A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光伝送装置に係り、特に、半導体レーザの出力光を外部変調する光学部品または上記光学部品の光出力を伝送光ファイバに結合する出力部をもつ光伝送装置に関連し、特に毎秒ギガビット程度以上の高速光通信システムに適した光送信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信システムにおける伝送情報の大容量化、中継距離の長距離化の基本ニーズに応えるためには、送信光源の高速化と低チャープ化が不可欠である。この結果、特に長距離幹線系ではレーザダイオードの直接変調方式に代り本質的に低チャープ化に有利な外部変調方式が主に採用されている。この外部変調方式で採用される光変調器としてLiNbO3材料を用いたマッハツェンダー（MZ）変調器と半導体材料を用いた電界吸収（EA）変調器の2通りが主流である。この内、EA変調器は分布帰還（DFB；Distributed FeedBack）型レーザダイオードとモノリシック集積ができるため、小型で低消費電力な光送信装置の実現に有利である。しかしながら、EA変調器では、印加する電圧信号と光出力との関係が非線型となる問題がある。つまりEA変調器への印加電圧と光出力の相関は直線的ではないため、電気駆動電圧波形と比較して、EA変調器からの光信号波形はクロスポイントがスペース側（光オフ側）に偏る傾向がある。このためEA変調器では電気駆動波形のクロスポイントと光信号波形のクロスポイントの差を補正する必要があった。通常変調器ドライバに、クロスポイント調整回路を付加し、駆動電気波形をマーク側に予め偏らせることにより、光出力波形のクロスポイントをスペースレベル（光オフ側）とマークレベル（光オン側）のほぼ中央に設定する手法が用いられている（図1）。
【０００３】
一方、LiNbO3材料を用いたMZ変調方式では、変調器印加信号と光出力との関係が余弦関数で与えられるため、上記のようなクロスポイント調整回路を用いずに理想的な光出力波形が得られる。また、MZ変調方式では、MZ導波路の両位相変調部を差動駆動させるいわゆるプッシュプル駆動により、チャープ量を可変できるため、EA変調器に比べてフレキシブルな伝送設計を可能となる。しかし、EA変調方式に比べて小型化、低消費電力化には今だ課題が残っているのが現状である。
【０００４】
これに対し、半導体材料を用いたMZ変調方式が考案されている。この内、GaAsなどのバルク半導体を用いたMZ変調器では、屈折率の電気光学係数がLiNbO3材料とほぼ同等であり、ほぼ両者は類似の素子サイズ、特性を有する。一方、多重量子井戸型のMZ変調器では、電界印加による量子閉じ込めシュタルク効果により、高効率な屈折率変化が得られる。このため、素子の小型化が図られている。
【０００５】
尚、EA変調器のクロスポイント調整技術に関する公知文献として、公開特許広報（特開２０００−５９３１７、特開２００１−１８９６９９）が揚げられる。また、半導体バルク材料、量子閉じ込めシュタルク効果を用いたMZ変調器の公知文献として、それぞれWalker, R.G., "High-speed III-V semiconductor intensity modulators" Quantum Electronics, IEEE Journal of , Volume: 27 Issue: 3 , March 1991, Page(s): 654 -667、Adams, D.M., Rolland, C et al., "1.55 μm transmission at 2.5 Gbit/s over 1102 km of NDSF using discrete and monolithically integrated InGaAsP-InP Mach-Zehnder modulator and DFB laser", Electronics Letters , Volume: 34 Issue: 8 , 16 April 1998, Page(s): 771 -773が揚げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、我々は電気駆動波形のクロスポイントと光信号波形のクロスポイントの差が多重量子井戸型のMZ変調器にも存在する問題を発見した。具体的には多重量子井戸型のMZ変調器の変調カーブは、EA変調器のそれとは逆に駆動電圧波形と比較して、クロスポイントがマーク側に偏る傾向があることが判った。また、この偏りの程度は、動作波長、動作温度や多重量子井戸構造の設計により変化する事が明らかになった。
【０００７】
また、上記の変調カーブの非線形性から、通常の対称ドライバ出力によるプッシュプル変調ができない。
【０００８】
本発明の課題は、多重量子井戸型のMZ変調器を用いた良好な光波形を有する光送信装置を実現する事である。より具体的には、動作条件が変化した場合においても、光波形のクロスポイントがマーク・スペース間の中央に配置された信号品質の高い高速光信号を生成する光送信装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の光送信装置では、多重量子井戸型を用いたMZ変調器の変調カーブの非線形性を光変調器ドライバ回路の出力電気信号の立ちあがり／立ち下がり部におけるクロスポイントをスペースレベルとマークレベルの中心から意図的にずらした状態の駆動信号を生成する手法を考案し、これを光変調器を印加することにより、変調光のクロスポイントをスペースレベルとマークレベルの中央に制御する簡易手法を提案する。本手法では、単に一定条件でのクロスポイント調整のみならず、動作波長、動作温度や多重量子井戸構造の設計が変化した場合においても、同一のアナロジーでクロスポイント調整が実現させることが可能となる。また、特にMZ変調器の最大の特長である、プッシュプル動作を実現する場合には、本解決手段が不可欠である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図２は本実施の形態による光送信器の構成例を表わす。図２は本実施例の一構成例を示すブロック図で、図３は各ブロックにおける信号波形の説明図である。図２において、１０１は識別器、１０２は増幅器、１０３は電気-光変換器である。１０４はレーザ光源、１０５は光変調器で、ここではInP系半導体を用いた多重量子井戸型のMZ光変調器を用いる。１０６は出力用光ファイバ、１０７は電気信号入力端子、１０８はクロック入力端子、１０９はデューティー変換回路、１１０はデューティー変換回路の制御端子である。図３において、Ｈ１は識別器１０１の出力、Ｈ２はデューティー変換回路１０９の出力、Ｈ３は増幅器１０２の出力、Ｈ４は電気-光変換器１０３の光出力である。
【００１１】
次に光送信器の動作について説明する。図２において、信号入力端子１０７とクロック入力端子１０８は、識別器１０１の入力に接続され、公知の識別器１０１はクロックに同期した再生データを公知のデューティー変換回路１０９へ出力する。デューティー変換回路１０９はディーティーの変換されたデータを増幅器１０２へ出力する。増幅器１０２の出力は電気-光変換器１０３の入力に接続されている。識別器１０１において、識別器１０１への入力信号１０７とクロック１０８から識別再生信号が出力され、デューティー変換回路１０９において、識別器１０１より出力された識別再生信号のデューティーを変換し、増幅器１０２において、デューティー変換回路１０９より出力された識別再生信号を光変調器１０５を駆動するのに十分な振幅まで増幅する。そして、増幅された識別再生信号で光変調器１０５を駆動する。
【００１２】
次に、光変調器１０５の詳細について説明する。図４に示す光変調器はInP系半導体を用いた多重量子井戸型のMZ光変調器である。素子の作製法は以下に述べる公知の手法により実現される。まず、面方位（１００）のｎ型InP基板上１２０に、有機金属気相成長法により、格子整合系InGaAlAsを量子井戸層１２１に、格子整合系InAlAsを障壁層１２２にそれぞれ用いた２５周期の多重量子井戸構造１２３を能動層とし、ｎ型のInPクラッド層１２４、ｐ型のInPクラッド層１２５で挟まれたPIN構造を成長する。次に、公知の手法により、１×２の合分波導波路１２６、１２７の間に、一対の位相変調器を設けたMZ導波路を形成してMZ光変調器が完成される。ここで、InGaAlAs量子井戸層１２１の材料組成と量子井戸厚は、その実効的吸収端波長を約1.45μｍに保つ条件では、種々の組み合わせが可能である。図５に、代表的な５条件における変調カーブを示す。図からわかるように、量子井戸厚を10nm前後に設定し、いわゆる量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を増大させることにより、半波長条件を示す位相変調器駆動電圧V_πが大きく低減されることがわかる。一方、変調カーブにおいて、光出力がハイレベルとローレベルの中央となる電圧V_1/2に着目すると、上記ＱＣＳＥが増大する量子井戸厚10nm前後で、V_1/2は電圧の振幅中心より高電圧側にシフトしていることがわかった。これは、ＱＣＳＥによる屈折率変化が印加電界に対し、非線形な振る舞いをするためであり、本検討により発明者が発見した実験事実である。ＱＣＳＥによる光吸収の増大を基本原理とする電界吸収型光変調器（EA変調器）においても、変調カーブが非線形となることが広く公知であるが、この場合、V_1/2は電圧の振幅中心より低電圧側にシフトすることが、本MZ変調器と異質な点である。
【００１３】
図３（ａ）に示すように、識別器１０１の出力波形は、クロスポイントがハイレベルとローレベルの中央となっている。この出力波形により前記MZ変調器を駆動すると、光出力波形ではハイレベルとローレベルの中央よりクロスポイントがハイレベル側に偏ってしまう。これに対して、デューティー変換回路１０９により、電気出力波形のクロスポイントを図３（ｂ）に示すように、MZ変調器の消光特性を予め考慮して、ハイレベルとローレベルの中央から、ローレベル側にずらした状態とすることにより、MZ変調器からの光出力波形のクロスポイントを、図３（ｄ）に示すように、ハイレベルとローレベルの中央に設定することが可能となる。
【００１４】
本発明によれば、特に毎秒10ギガビット以上の高速・長距離光伝送を行なった際に、伝送ペナルティーを従来法に比べ大きく低減することができる。従来の光送信器では、出力光波形のクロスポイントがハイレベルとローレベルの中央から、ハイレベル側に偏っているため、スペース側の雑音耐力が劣化し、特に数十km以上のファイバ伝送を行なった後においてパワーペナルティーが生じる。これに対し、この発明による光送信器では、デューティー変換回路により、出力光波形のクロスポイントがハイレベルとローレベルの中央となっているため、雑音耐力が向上し、伝送ペナルティーが改善される。
【００１５】
以上の動作では、光信号のデューティーが５０％になるように設計されている場合、即ち、出力アイパターンのクロスポイントがハイレベルとローレベルの中間に位置するような場合を想定して述べたが、本発明のドライバ回路では、容易にドライバ回路の出力信号のクロスポイントを５０％以外の所望の値に変換することも出来るため、光出力のデューティーを５０％以外に設定することも可能であることを付記する。
＜実施の形態２＞
図６は本実施の形態による第２の光送信器の構成例である。本実施例は多重量子井戸型のMZ光変調器をプッシュプル駆動し、変調器駆動電圧の低減とチャープパラメータの人為制御とを施した光送信機に関するものである。
【００１６】
初めに、光変調器２０１は、実施の形態１に記載した素子がそのまま適用可能であるため、詳細な記述を省略する。
【００１７】
次に、本実施例のデューティー変換回路と増幅器とを一体構成したデューティー変換機能付き光変調器ドライバ２０２の構成について説明する。図６は、本発明の光変調器ドライバ回路の構成例である。図７は対称バイアス条件、非対称バイアス条件それぞれでの内部動作波形を示す図、図８は対称バイアス条件、非対称バイアス条件それぞれでのドライバ出力波形を示す図である。
【００１８】
図６に示すように、変調器ドライバ回路の１段目の差動対を構成する一対のＦＥＴ２５１、２５２には互いに反転信号となるデジタル信号が入力される。ＦＥＴ２５１のソース側には、可変抵抗(R_s)２５３が挿入され、ＦＥＴ２５２のソース側には抵抗(R_s)２５４が挿入されている。１段目の差動対の出力ポート２５５、２５６は２段目の差動対に入力され、出力ポート２５７からMZ光変調器２０１の電極２７１への変調信号が出力される。このとき、可変抵抗２５３と抵抗２５４の値が等しい場合は、図７中の（a）の波形のように出力ポート２５５の波形と出力ポート２５６の波形とで出力電圧レベルが等しく、この波形を次段の差動対に入力すると、ポート２５７および２５８のドライバ出力は共に図８（a）の波形の様にデューティーが５０％になり、アイパターンのクロスポイントがハイレベルとローレベルの中央になる。ここで、出力ポート２５８からMZ光変調器２０１のもう一方の電極２７２へ印加される電圧信号は、出力ポート２５７からの電圧信号と同振幅で論理が反転した信号である。電極２７２へオフセットバイアス電圧を印加することにより、いわゆるプッシュプル駆動が実現できる。しかしながら、前述した本MZ変調器の非線形変調カーブのため、電極２７１、電極２７２に同振幅でデューティーが５０％の電圧信号を印加しても図９（a）に示すようにクロスポイントがハイレベル側にずれた状態になり所望の光変調波形は得られない。
【００１９】
これを解決するため、本実施の形態では以下の工夫を行なった。可変抵抗２５３の抵抗値（R_s@253）を意図的に変化させ、抵抗２５４の値（R_s@254）より大きく設定すると(R_s@253＞R_s@254)、図７（b）の波形の様に、１段目の出力ポート２５５の波形と、出力ポート２５６の波形とで出力電圧レベルが異なる波形が得られる。この波形を次段の差動対に入力すると、ポート２５７のドライバ出力はデューティー比が５０％より小さくなり、アイパターンのクロスポイントをローレベル側にずらした状態に調整出来る。同様な原理で、ポート２５８では逆にクロスポイントをハイレベル側にずらした状態に調整出来る。また、最終段の出力抵抗の２５９、２６０の値を非対称に設定することにより、２５７、２５８両ポートの出力電圧振幅を調整することができる。具体的には、出力抵抗２６０を出力抵抗２５９より小さい値に設定し、ポート２５８の出力電圧を約３０％低減させた。この状態でのアイパターンを図９（b）に示す。この結果、光消光比13dBを得るのに必要な電圧振幅は、ポート２５７で1.8V、ポート２５８で1.3Vとなり低駆動電圧化が図れると共に、光波形においてもデューティー比がほぼ５０％の良好なアイ開口が得られた。本光送信器によれば、光出力波形のクロスポイントをハイレベルとローレベルの中央とするので、伝送特性を改善できる。また、光出力波形のクロスポイントをハイレベルとローレベルの中央とするので、伝送特性を改善できることに加え、光出力波形のクロスポイント変動を抑圧できる。さらに、チャープパラメータをほぼゼロに人為制御できるので、ファイバ伝送特性に関しても従来の対称駆動法に比べ改善される。
＜実施の形態３＞
図１０は本実施の形態による第３の光送信器の構成例を表わす。本実施例は多重量子井戸型のMZ光変調器に入力される信号光の波長が変化した際に生じる変調器駆動電圧振幅やクロスポイントの変化を、変調器ドライバ内の抵抗値を可変させることにより調整可能とした構成である。
【００２０】
同図において、５０１は識別器、５０２は変調器ドライバ、５０３は電気-光変換器である。５０４はレーザ光源、５０５は光変調器で、ここではInP系半導体を用いた多重量子井戸型のMZ光変調器を用いる。５０６は出力用光ファイバ、５０７は電気信号入力端子、５０８はクロック入力端子、５０９は波長参照データ信号、５１０はデューティー変換回路の制御端子である。
次に光送信器の動作について説明する。図において、信号入力端子５０７とクロック入力端子５０８は、識別器５０１の入力に接続され、識別器５０１はクロックに同期した再生データを変調器ドライバ５０２へ出力する。変調器ドライバ５０２はディーティーの変換された光変調器駆動電圧信号データを生成し、その出力信号は電気-光変換器５０３の入力に接続されている。この増幅された識別再生信号で光変調器５０５が駆動される。
【００２１】
変調器ドライバ回路５０２の構成は、プッシュプル駆動でない点以外は、実施の形態２と同じであるため詳細な説明は割愛する。
【００２２】
実施の形態１に記した多重量子井戸型のMZ光変調器の変調カーブは、信号光の波長にも大きく依存する。図１１に測定例を示すように、MZ光変調器の変調カーブは、信号光波長によってクロスポイントおよび駆動電圧が大きく変化する。このため波長の変化に伴いMZ光変調器の駆動条件を適切な値に再設定する必要がある。本実施の形態では、予め入力する信号光波長に対して最適な変調器駆動条件を与える変調器ドライバ回路内のソース接続可変抵抗と出力抵抗のデータテーブルを作成し、これをマイコン制御により両抵抗値を自動制御することにより信号光波長が変化した際にも、光変調波形が劣化しない、光波長多重通信に好適な光送信機を実現することができる。図１２に示すように、本案では消光比、クロスポイントの波長依存性を補償できる。
【００２３】
【発明の効果】
多重量子井戸型のMZ変調器を用いた良好な光波形を有する光送信装置の実現が可能となる。より具体的には、動作条件が変化した場合においても、光波形のクロスポイントがマーク・スペース間の中央に配置された信号品質の高い高速光信号を生成する光送信装置を実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例の問題点を表わす。
【図２】本発明による光送信器の構成例等を表わす。
【図３】本発明による光送信器の各ブロックにおける信号波形を表わす。
【図４】本発明による多重量子井戸型のMZ光変調器の構造を表わす。
【図５】本発明による多重量子井戸型のMZ光変調器の消光カーブの量子井戸幅依存性を表わす。
【図６】本発明の光変調器ドライバ回路の構成例を表わす。
【図７】本発明の光変調器ドライバ回路の内部動作波形を表わす。
【図８】本発明の光変調器ドライバ回路のドライバ出力波形を表わす。
【図９】本発明の光送信機の光出力波形を表わす。
【図１０】本発明による光送信器の構成例を表わす。
【図１１】本発明のMZ光変調器における変調カーブの信号光波長依存性を表わす。
【図１２】本発明による光送信機による消光比、クロスポイントの波長依存性の補償効果を表わす。
【符号の説明】
101…識別器、102…増幅器、103…電気-光変換器、104…レーザ光源、105…光変調器、106…出力用光ファイバ、107…電気信号入力端子、108…クロック入力端子、109…デューティー変換回路、110…デューティー変換回路の制御端子、120…ｎ型InP基板上、121…格子整合系InGaAlAs量子井戸層、122…格子整合系InAlAs障壁層、123…多重量子井戸構造、124…ｎ型のInPクラッド層、125…ｐ型のInPクラッド層、126…１×２の分波導波路、127…１×２の合波導波路、201…光変調器、202…デューティー変換機能付き光変調器ドライバ、251…ＦＥＴ、252…ＦＥＴ、253…可変抵抗、254…抵抗、255…差動対の出力ポート、256…差動対の出力ポート、257…出力ポート、258…出力ポート、259…最終段の出力抵抗、260…最終段の出力抵抗、271…光変調器電極、272…光変調器電極、501…識別器、502…変調器ドライバ、503…電気-光変換器、504…レーザ光源、505…光変調器、506…出力用光ファイバ、507…電気信号入力端子、508…クロック入力端子、509…波長参照データ信号、510…デューティー変換回路の制御端子。

Claims

光源からのキャリア光を受けて、印加電圧に応じてキャリア光の位相を変化させることにより、強度変調された光信号を生成する光変調器を用いた光送信装置において、該光変調器は光導波路を有し、前記光導波路部への電界印加による屈折率変化を動作原理とする干渉型光変調器であり、前記屈折率変化が電界強度に対して非線型であり、且つ光変調器ドライバ回路の出力電気信号の立ちあがり／立ち下がり部におけるクロスポイントをハイレベルとローレベルの中心からローレベル側にずらした状態で該光変調器を駆動することにより、変調光信号のクロスポイントをハイレベルとローレベルの中央に制御したことを特徴とする光送信装置。
光源からのキャリア光を受けて、印加電圧に応じてキャリア光の位相を変化させることにより、強度変調された光信号を生成する光変調器を用いた光送信装置において、該光変調器は半導体超格子構造への電界印加による量子閉じ込めシュタルク効果を用いた干渉型光変調器であり、且つ光変調器ドライバ回路の出力電気信号の立ちあがり／立ち下がり部におけるクロスポイントをハイレベルとローレベルの中心からローレベル側にずらした状態で該光変調器を駆動することにより、変調光のクロスポイントをハイレベルとローレベルの中央に制御したことを特徴とする光送信装置。
光変調器ドライバの回路内に一方が”０”出力のとき他方が”１”出力の関係にあり、かつ、一方が”１”出力のとき他方が”０”出力の関係にあるデジタル信号が出力される第１および第２のポートを有する差動回路を含み、差動回路の差動対を構成する２つの電界効果トランジスタの出力端子にそれぞれ第１および第２の抵抗を挿入し、その抵抗の少なくとも一方の抵抗値を変化させることにより、ドライバ回路の出力電気信号のクロスポイントをずらした状態で光変調器を駆動すること特徴とする請求項１、２に記載の光送信装置。
前記第１および第２のポートの出力が、干渉型光変調器の一対の電気入力部にそれぞれ接続されたいわゆるプッシュプル駆動方式において、前記第１、２の抵抗値の少なくとも一方を変化させることにより、変調光の消光比を最大化すると共にクロスポイントをハイレベルとローレベルの中央に制御することを特徴とする請求項３に記載の光送信装置。