JP4537351B2

JP4537351B2 - 光変調装置

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Publication number: JP4537351B2
Application number: JP2006177384A
Authority: JP
Inventors: 正満藤原; 淳一可児; 浩司秋本; 岩月　　勝美
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-06-16
Also published as: JP2006295210A

Description

本発明は、光通信に利用する光変調装置に関し、特に、半導体光増幅器のような光増幅器と光強度変調器とを組み合わせて構成される光変調装置の構成技術に関する。

従来から、光短パルスレーザ、あるいは振幅変調/位相変調により生成した複数の光搬送波を含む多波長光を、波長多重 (ＷＤＭ : Wavelength Division Multiplexing)信号伝送に用いる方式が検討されてきた。このような多波長光は、各サイドモードのスペクトル間隔がすべて等しく、サイドモードを波長分離して得られるチャネルはすべて等しい波長間隔になる。従って、このような多波長光は、チャネルごとに個別のレーザを用意してチャネルごとに波長を設定する方法による多波長光よりも、波長配置に関して簡便である。

多波長光を用いたＷＤＭ信号伝送システムを実現する上で、光変調回路構成の簡易化、および経済化が重要な課題の一つである。図１に、従来の光変調回路の構成を示す。多波長光源１０１から発生した多波長光は、波長分波器１０３により波長分波された後、各々の光強度変調器１０５で変調され、波長合波器１０７により再度合波される。図１に示す構成では、透過中心波長の絶対値の等しい２つの波長合分波器１０３、１０７が必要であることから、図２に示すような、1つの波長合分波器２０７と、1つあるいは複数の光強度変調器２０９と、この光強度変調器の個数に等しい反射鏡２１１とで構成した光変調装置が提案されている（特許文献１参照）。

図２に示す光変調装置では、光入力手段２０１の入力ポート２０３から入力した多波長光は、入出力ポート２０５を通って波長分波器２０７により波長分波された後、各々の光強度変調器２０９で変調され、光反射器２１１で反射されて、もとの光路を戻り、再び波長合波器２０７により再度合波され、入出力手段２０１の出力ポート２１３から出力される。この装置構成によれば、1つの波長合分波器２０７だけで構成できるので、波長合分波器の透過中心波長合わせが容易となり、かつ装置コストの削減が可能となる。

図１および図２のいずれにおいても、各波長の光パワーは、波長合分波器などの使用される光デバイスの損失によって減少する。また、多波長光源と光変調器が物理的に離れた位置にあるシステムでは、その間を結合する光ファイバ伝送路の損失が無視できなくなる。ＷＤＭ信号パワーの低下は、信号対雑音比(ＳＮＲ：Signal-to-Noise Ratio)の悪化を招くため、図１の１０９、あるいは図２の２１５に示すような光増幅器を用いてパワーを増幅する必要がある。

図１および図２には、多波長光の波長域をすべてカバーする広帯域の光増幅器を用いて、ＷＤＭ信号パワーを一括して増幅する例が開示されている（特許文献２参照）。この例では、波長多重された変調光の偏波に依存せずに、その光強度を増幅する偏波無依存光増幅器が用いられている。このような光増幅器には、エルビウム(Ｅｒ)添加光ファイバ増幅器(ＥＤＦＡ : Erbium Doped Fiber Amplifier)などの光ファイバ増幅器が用いられるのが一般的である。ＥＤＦＡは、石英ガラス光ファイバのコア部分にエルビウムイオンＥｒ³⁺を添加することにより、そのイオンの固有な遷移での誘導放出を用いて、光ファイバ内を進行する光を増幅させる光増幅器である。一方、光通信に用いられる光増幅器として、半導体光増幅器(ＳＯＡ : Semiconductor Optical Amplifier)が開発されている。ＳＯＡは、半導体レーザの共振器端面を低反射化することにより、半導体内の活性層を進行する光を誘導放出により増幅させる光増幅器である。

上記のいずれの光増幅器も利得帯域は３０ｎｍ以上と広帯域であるが、励起準位にあるキャリアの寿命時間が大きく異なる。ＥＤＦＡは、複数の離散的な励起エネルギー準位からの遷移により利得広がりが形成されるため、キャリア寿命時間はｍｓ（ミリ秒）オーダと長く、利得広がりは不均一となる。一方、ＳＯＡは、キャリア寿命時間はｎs（ナノ秒）オーダと短く、利得広がりは均一とみなせる。通常、光増幅器は、高出力を得るために利得の飽和領域において動作される。利得の飽和領域において、複数の異なる信号波長を増幅する場合、利得広がりの均一な光増幅器では、各々の波長が利得の奪い合いを行い、チャネル間のクロストークが生じて信号波形が劣化する。従って、ＷＤＭ信号を一括して増幅する場合には、上述のようにＥＤＦＡなどの光ファイバ増幅器が用いられるのが一般的である。しかしながら、半導体を注入電流により励起させるＳＯＡと、励起光を出力する半導体レーザ、エルビウムなどを添加した添加物光ファイバ、励起光を添加物光ファイバに結合する結合器から構成されるＥＤＦＡとを比較すると、ＳＯＡが部品点数の観点から遙かに経済的であると言える。特に、1信号波長を増幅する場合にはＳＯＡの方が適している。

光ファイバ増幅器を用いてＷＤＭ信号を一括して増幅するには、波長合分波器、光強度変調器などの光構成部品で生ずる光の損失を補うため、光増幅器の高出力化が必須である。しかしながら、多波長光の波長域をすべてカバーする広帯域、かつ高出力の光増幅器は、たとえ一つでも非常に高価である。従って、要求される波長帯域と出力によっては、各波長をＳＯＡによって個別に増幅する構成の方が、光ファイバ増幅器を用いる構成よりも、より廉価に光変調回路を実現できる場合がある。

さらにＳＯＡは、以下のような利点もある。
・ＳＯＡは注入電流を変調信号に応じて変化させることにより、変調器として利用可能である。
・ＳＯＡは電界吸収型（ＥＡ：Electro Absorption）変調器などと集積化が可能である。

次に、ＳＯＡを利用した光変調装置の典型的な構成例について説明する。

（従来例１)
図１に示す光強度変調器１０５に利用可能な従来の光変調装置の構成例を従来例１として図３に示す。従来例１の装置は、ＳＯＡを変調器３０６として利用し、光変調装置３０３が光源と離れた位置にある場合を想定して図示されている。ＳＯＡの変調器３０６の両端は、光信号が入力される入力伝送路３０１、および、光信号が出力される出力伝送路３０９に結合される。しかしながら、これら入出力伝送路内には、図示していないが、光フィルタ、光カプラなどの各種光デバイスや、光コネクタ、スプライス（splice）などが含まれ、またこの図では省略されているが、入出力伝送路３０１とＳＯＡの変調器３０６の間には波長合分波器が挿入されており、それら構成部品はすべて反射点となる。これらの反射点がＳＯＡの光増幅部３０６の両端側に存在するわけであるから、これらの反射点とＳＯＡで光共振器を成すことになり、その結果ＳＯＡの動作が不安定になることもあると考えられる。この不都合を防ぐためには、図３に示すように、ＳＯＡの両端には単一方向の光のみを透過させる光アイソレータ３０５、３０６が挿入される。

(従来例２)
図２の光変調回路に適用される従来の光変調装置の構成例を従来例２として図４に示す。図４には２つのタイプの光変調装置４０５，４０７の構成が示されている。一つのタイプの光変調装置４０５は、波長合分波器４０３で分波された連続光の光パワーを双方向光増幅器４０９において増幅し、光強度変調器４１１に入力してデータ信号により強度変調して変調光とした後、光反射器４１３により反射させて、光強度変調器４１１、双方向光増幅器４０９を再度通過させる構成である。もう一つのタイプの光変調装置４０７は、波長合分波器４０３で分波された連続光の光パワーを双方向光増幅器４１５において増幅し、光サーキュレータ４１７を用いてつくられた光ループに入力して、この光ループ内に配置された光強度変調器４１９においてデータ信号により強度変調して変調光とした後、光サーキュレータ４１７を経て、双方向光増幅器４１５を再度通過する構成である。前者の光変調装置４０５においては、光反射器４１３を、光強度変調器４１１とは別体の単品としてもよいし、光強度変調器４１１の端面に貼り付けて一体化した構成のものとしてもよい。

図４の構成で用いられる双方向増幅器４０９、４１５は、1波長の増幅を行えればよいのでＳＯＡが適当である。しかし、ＳＯＡを双方向光増幅器４０９、４１５として用いると、利得の飽和領域において連続光と変調光の間の利得の奪い合いが信号劣化を引き起こす。つまり、光増幅器４０９、４１５の内部において連続光が変調光の信号パターンにより変調されることになる。

そのため、図５に示すように、連続光と変調光の双方向光増幅器４０９、４１５からの出力パワーの和(もしくは入力パワーの和)が、ある出力パワー(もしくは入力パワー)以下において、利得が一定に保たれる利得の未飽和領域で使用されることが望ましい。

特開２００２−３１８３７４号公報特開２００３−１８８５３号公報 Ohman, F.; Bischoff, S.; Tromborg, B.; Mork, J.; "Noise properties and cascadability of SOA-EA regenerators", Lasers and Electro-Optics Society, 2002. LEOS 2002. The 15th Annual Meeting of the IEEE , Volume: 2 , 2002 Page(s): 895 -896

図３で示された従来例1の構成では、ＳＯＡ３０６の両端に光アイソレータ３０５，３０７を挿入しても、ＳＯＡ素子そのものの端面反射の問題が残る。通常、ＳＯＡ３０６の端面に無反射コートを施すことにより、端面反射率は低減化されており、一般にこの端面反射率の値は、伝送路反射の反射率の値などよりも小さい。しかしながら、ＳＯＡ３０６の利得が大きいと、光変調装置３０３は共振器としての効果が大きくなり、増幅動作が不安定になる。つまり、端面反射率の値は、ＳＯＡに許容する利得の大きさを制限することになる。したがって、ＳＯＡにより高利得増幅を実現するには、例えば図６に示すように、ＳＯＡを多段に接続する必要がある。

ＳＯＡの多段に接続する構成として、ＳＯＡ＋ＥＡ変調器(ＥＡ変調器については後述) のカスケード構成を２段に接続したものが提案されている（非特許文献１）。ＳＯＡを多段にした場合に、光反射の影響を最小限にするためには、図６に示すように多段に接続したすべてのＳＯＡの入出力端に光アイソレータを挿入すればよいが、コストの観点から望ましとは言えない。また、参考文献1では、光アイソレータの挿入についての記述は一切ない。

また、図４に示した従来例２の構成では、双方向光増幅器(ＳＯＡ)４０９、４１５の両端における反射光１と反射光２が存在する。双方向光増幅器４０９、４１５の端面は無反射コートにより低反射化されているとはいえ、その端面反射の前後にその反射光のパワーが増幅されるために、その反射光の値は大きく、その反射光は信号光と干渉して雑音になる。なお、反射光1、反射光２については、後述の図８に関する説明で詳しく述べる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、光増幅器を多段に接続構成した光変調装置、ないしは光増幅器を双方向光増幅器として含む光変調装置において、光増幅器の内部を通過する反射の影響を考慮したデバイス仕様設計、デバイス構成により、反射光の影響を低減した安定な増幅機能を達成し、かつ経済的な光変調装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の光変調装置の一態様は、それぞれ個別の注入電流で反転分布を生成する複数ｎ個（ｎ＞＝２）の半導体光増幅器と、入力端子と前記複数ｎ個の半導体光増幅器と出力端子を順次接続する（ｎ＋１）個の光接続手段と、前記（ｎ＋１）個の光接続手段の奇数番の位置毎に、または偶数番の位置毎に順次挿入される光アイソレータと、前記（ｎ＋１）個の光接続手段のうちのいずれか１箇所に挿入されて、入力する連続光に対して送信信号により強度変調を施す光強度変調手段とを具備することを特徴とする。
ここで、前記（ｎ＋１）個の光接続手段のうち、前記入力端子および前記出力端子と接続される光接続手段以外のいずれか１箇所に前記光強度変調手段を挿入した構成であることを特徴とすることができる。
また、前記（ｎ＋１）個の光接続手段の中で前記光アイソレータが挿入されていない光接続手段に前記光強度変調手段を挿入した構成であることを特徴とすることができる。
上記目的を達成するため、本発明の光変調装置の他の態様は、それぞれ個別の注入電流で反転分布を生成する複数ｎ個（ｎ＞＝２）の半導体光増幅器と、入力端子と前記複数ｎ個の半導体光増幅器と出力端子を順次接続する（ｎ＋１）個の光接続手段と、前記（ｎ＋１）個の光接続手段の奇数番の位置毎に、または偶数番の位置毎に順次挿入される光アイソレータとを有し、前記複数ｎ個の半導体光増幅器の中のいずれか１つの半導体光増幅器を、送信信号により強度変調された注入電流を印加して、入力する連続光に対して強度変調を施す光強度変調手段にした構成であることを特徴とする。

上記構成により、本発明は、多段に接続した半導体光増幅器(ＳＯＡ) を含む透過型の光変調装置に対して、反射光の影響を低減することによる安定した増幅機能とコストの低減とを同時に達成する。

以下、図面を参照して本発明の最良の実施形態を詳細に説明する。

(第１の実施形態)
本発明の第１の実施形態は、多段に接続した半導体光増幅器(ＳＯＡ) を含む透過型の光変調装置に対して、1つおきに光アイソレータを挿入することにより、反射光の影響を低減することによる安定した増幅機能とコストの低減とを同時に実現するものである。本実施形態の具体的な構成例を説明する前に、その原理を説明する。
<ＳＯＡを多段接続した時の反射光>
図７は、複数のＳＯＡを多段接続した時の反射光を説明する図である。この多段接続構成において、光変調装置として機能するためには、使用するＳＯＡのうちの1つを光強度変調器として使用するか、もしくは外部変調器を挿入する必要があるが、ここでは反射光の説明を簡単化するために、すべてのＳＯＡを単に光増幅器として機能させることとする。

図７において、ｎ（＞＝２）個の半導体光増幅器（Ｓ_１，Ｓ_２，‥，Ｓ_ｉ，‥，Ｓ_ｎ）が、入出力を含むｎ＋１個の光パス（ｘ_１，ｘ_２，‥，ｘ_ｉ，‥，ｘ_ｎ＋１）により直列に結合され、その入出力は、それぞれ、入力側伝送路３０１、出力側伝送路３０９に接続されている。上述したように入出力伝送路３０１，３０９は反射点となる。また、ＳＯＡ（Ｓ_１，Ｓ_２，‥，Ｓ_ｉ，‥，Ｓ_ｎ）は素子そのものの両端に反射端を持つため、ＳＯＡ自体が反射点なる。

図８は、ＳＯＡの反射光を説明する図である。ＳＯＡの利得ｇ_ｉ、端面反射率ｒとすると、光パワー１の光がＳＯＡに入射された時、ＳＯＡの反射光パワーはｇ_ｉ ^２ｒとなり、端面反射率がｇ_ｉ ^２倍される。この反射はそれぞれのＳＯＡにつき双方向で起こりうる。

図７では、信号光の進行方向と同一方向の反射を入力側から順に、Ｒｅｆ（０），Ｒｅｆ（１），‥，Ｒｅｆ（ｉ），‥Ｒｅｆ（ｎ）、逆方向の反射を入力側から順に、ｒｅｆ（１），ｒｅｆ（２），‥，ｒｅｆ（ｉ），‥ｒｅｆ（ｎ＋１）、としている。Ｒｅｆ（０）およびｒｅｆ（ｎ＋１）は、それぞれ、入力側伝送路反射および出力側伝送路反射であり、それ以外の反射Ｒｅｆ（ｉ），ｒｅｆ（ｉ）は、半導体光増幅器Ｓ_ｉの双方向の反射を表す。

反射光の影響について、簡単のためｎ＝２の場合について考える。図９は、ｎ＝２の場合の反射光を説明する図である。Ｒｅｆ（０），Ｒｅｆ（１），Ｒｅｆ（２）は信号光の進行方向と同一方向の反射、ｒｅｆ（１），ｒｅｆ（２），ｒｅｆ（３）は逆方向の反射を表す。Ｒｅｆ（０）およびｒｅｆ（３）は、それぞれ、入力側伝送路反射および出力側伝送路反射であり、Ｒｅｆ（１），ｒｅｆ（１）およびＲｅｆ（２），ｒｅｆ（２）は、それぞれ、半導体光増幅器Ｓ_１およびＳ_２の反射である。一般に反射が問題となるのは、信号光の進行方向と逆方向の反射（１回目の反射）に引き続いて、同一方向の反射（２回目の反射）が起こり、それが信号光と干渉して信号光パワーが不安定になることによる。図９においては、ＳＯＡの利得が含まれるため、反射光はその利得により増幅され、その影響はより大きくなる。

図９におけるＲｅｆ（ｉ）およびｒｅｆ（ｉ）の反射率を、それぞれ、Ｒ（ｉ）およびｒ（ｉ）（但し、１＜＝ｉ＜＝３）とした時の信号光に対する２回反射光の割合を説明する図が図１０である。図１０に示すように、ｒｅｆ（ｉ）に引き続いてＲｅｆ（ｉ−１）の反射が起こる場合には、信号光に対する２回反射光の割合は、反射点の反射率の２乗のオーダであるが、ｒｅｆ（ｉ）に引き続いてＲｅｆ（ｉ−２）ないしＲｅｆ（ｉ−３）の反射が起こる場合には、信号光に対する２回反射光の割合は、反射点の反射率の２乗のオーダに対して、通過するＳＯＡの利得の２乗倍だけ大きくなる。

図１０は、ｎ＝２の場合について示しているが、一般にｎ個のＳＯＡを多段接続したときには、ｒｅｆ（ｉ）に引き続くＲｅｆ（ｉ−２），Ｒｅｆ（ｉ−３），‥，Ｒｅｆ（０）の反射は、ｒｅｆ（ｉ）に引き続くＲｅｆ（ｉ−１）の反射と比較して、それぞれ、Ｓ_ｉ−１，Ｓ_ｉ−１＋Ｓ_ｉ−２，‥，Ｓ_ｉ−１＋Ｓ_ｉ−２＋‥＋Ｓ_１の利得の２乗倍だけ、信号光に対する反射光の割合のオーダが大きくなる（但し、１＜＝ｉ＜＝ｎ＋１）。

従って、ｒｅｆ（ｉ）に引き続くＲｅｆ（ｉ−１）の反射を許容し、ｒｅｆ（ｉ）に引き続くＲｅｆ（ｉ−２），Ｒｅｆ（ｉ−３），‥，Ｒｅｆ（０）の反射を防ぐには、光パス（ｘ_１，ｘ_２，‥，ｘ_ｉ，‥，ｘ_ｎ＋１）に対して一つおきに光アイソレータを挿入すればよい。

<具体的構成例>
図１１Ａ〜図１１Ｃは、上記のように光パスに対して一つおきに光アイソレータを挿入した本発明の第１の実施形態の光変調装置の構成を説明する図である。ここで、Ｏ_１，Ｏ_２は光アイソレータである。第１番目の光アイソレータＯ_１は入力側伝送路と第１番目のＳＯＡＳ_１間の第１番目の光パスｘ_１に挿入され、第２番目の光アイソレータＯ_１は第２番目のＳＯＡＳ_２と第３番目のＳＯＡＳ_３間の第３番目の光パスｘ_３に挿入されている。このように、本実施形態では、光パスに対して一つおきに光アイソレータを挿入することを特徴としている。

また、本例では、ＳＯＡの個数ｎ＝３であり、そのうちの任意のいずれか１つを、注入電流を送信信号により強度変調することにより光強度変調器（ＭＯＤ）として使用している。すなわち、図１１Ａでは、第３番目のＳＯＡＳ_３を光強度変調器として使用し、図１１Ｂでは、第２番目のＳＯＡＳ_２を光強度変調器として使用し、図１１Ｃでは、第１番目のＳＯＡＳ_１を光強度変調器として使用している。

光アイソレータと光強度変調器についての上記の配列関係は、ＳＯＡの個数ｎが２の場合や、４以上になっても同様である。

この実施形態の構成により、連続光を出力する光源と光強度変調器が伝送路を介して離れた位置にある光通信システムにおいて、伝送路における光パワー損失の補完と変調動作を同時に達成する装置を実現できる。

（第２の実施形態）
図１２Ａ〜図１２Ｃは、本発明の第２の実施形態の光変調装置の構成を説明する図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形例に相当し、光増幅器を構成する３個のＳＯＡＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３の任意のいずれかの間に光強度変調器Ｍを挿入する。

図１２Ａは光アイソレータＯ_１，Ｏ_２が挿入されていない区間に、光強度変調器Ｍを挿入した構成である。ここでは第１と第２のＳＯＡＳ_１，Ｓ_２間の第２の光パス（光接続手段）ｘ_２に光強度変調器Ｍを挿入した例を示しているが、第３のＳＯＡＳ_３と出力端子との間の第４の光パスｘ_４に光強度変調器Ｍを挿入してもよい。ただし、この場合には最終段のＳＯＡＳ_３で増幅された光パワーに対応できる光強度変調器Ｍを用いる必要がある。

図１２Ａの構成では、第１のＳＯＡＳ_１から出力された連続光と、第２のＳＯＡＳ_２と第１のＳＯＡＳ_１における連続光の２回反射光が干渉するまでに、光強度変調器Ｍで２度の強度変調を受ける。従って、信号光に対する２回反射光の割合は光強度変調器Ｍを挿入しない場合に対して相対的に小さくなる。

図１２Ｂは光アイソレータＯ_２が挿入されている区間に光強度変調器Ｍを挿入した構成を示す。ここでは第２と第３のＳＯＡＳ_２，Ｓ_３間の第３の光パスｘ_３に光強度変調器Ｍを挿入した例を示すが、入力端子と第１のＳＯＡＳ_１との間の第１の光パスｘ_１に光強度変調器Ｍを挿入してもよい。ただし、後者の場合には光強度変調器Ｍの損失によりＳＯＡＳ_１への入力パワーが低下し、ＳＮＲが劣化することを考慮する必要がある。なお、図１２Ｂと図１２Ｃに示すように、光アイソレータＯ_２と光強度変調器Ｍの接続の順番は任意である。

本実施形態で用いられる光強度変調器Ｍとしては、例えば電界吸収型光強度変調器（ＥＡ変調器）を用いることができる。前述の第１の実施形態ではＳＯＡを光強度変調器としているためにＧ（ｂｐｓ）以上の変調動作は困難であったが、ＥＡ変調器を光強度変調器として用いる場合には４０Ｇ（ｂｐｓ）程度までの変調動作に対応することができる。

（第１の参考例）
本発明の第１の参考例の光変調装置は、前述の図４に示すような双方向光増幅器を有する装置構成において、増幅器の利得の数値限定を後述のように行なうことにより、双方向光増幅器の端面における反射光の影響を低減し、安定した増幅機能を達成することができるようにした装置である。以下に、本発明による増幅器利得の数値限定について説明する。

＜反射光の影響を定量化する手法＞
図４に示すように、双方向光増幅器４０９，４１５の両端からの反射光は２つ存在し、一方の反射光１は変調光と、もう一方の反射光２は連続光と同一方向に進む。この連続光は強度変調されて変調光となり、反射光２は連続光と同じ経路を辿るため、結局、変調光には反射光１および反射光２が付与される。変調光は反射光１および反射光２の同一偏波方向成分と干渉し、ビート雑音として強度揺らぎが生じる。以下に、反射光１と反射光２が変調光に与える影響を定量的に示す手法について説明する。

ここでは、以下を想定することができる。
・双方向光増幅器４０９，４１５の一方の端面で反射された光が再度もう一方の端面で反射される多重反射光は十分小さいとして無視する。
・送信信号のマーク率は１／２である。（データ信号列にマークまたはスペースが連続すると、信号を受信する際にクロック信号を抽出することが困難になるため、通常、ＳＤＨ（synchronous digital hierarchy;同期ディジタルハイアラーキー）におけるスクランブル（scramble）、ギガビットイーサ（giga bit ether）における８Ｂ→１０Ｂ（bel）変換などで、マーク率をほぼ１／２にする手法が講じられる。）

双方向光増幅器４０９，４１５への入力連続光パワー、双方向光増幅器４０９，４１５の利得、光強度変調器４１１，４１９への入力連続光パワーに対する変調光出力パワー差、双方向光増幅器全体の反射率を、それぞれ、１、ｇ、ｘ、ｒ’とすると、光変調器出力の変調光パワー、反射光１のパワー、反射光２のパワーは、それぞれ、ｇ^２ｘ、ｒ’、ｇ^２ｘ^２ｒ’で表される。

今、問題となるのは、変調光と反射光の干渉であるので、変調光マーク時の反射光の影響のみを考えればよい。送信信号のマーク率は１／２であるので、光変調器出力の変調光のマークレベルパワー、および、反射光２のマークレベルパワーは、それぞれ、２ｇ^２ｘ、４ｇ^２ｘ^２ｒ’である。但し、光変調器出力において変調光および反射光２が同時にマークとなる確率は１／２であるので、反射光２の影響は半減される。したがって、変調光マーク時の変調光と全反射光とのパワー比は、

と記述できる。さらに、ｒ’は光ファイバ結合損を無視すると、ｒ’＝ｇ^２ｒなる関係が成り立つので、

と書き換えることができる。式（２）をxの関数としてみなすと、

の時に、式（２）は最大値をとる。すなわち、この時に反射光の影響を最も小さくすることができる。これを対数スケールに書き直し、伝送路損失Ｌ［ｄＢ］、双方向増幅器利得Ｇ［ｄＢ］を用いると、

となる。またこの時に、反射光１と反射光２のパワーは等しくなる。

実際には、反射光は変調光と干渉するので、上記はあくまでもＳＮＲを最適化する上式（４）の導出において有効である。変調光に対する反射光の影響の定量的な見積もりは以下のように行うことができる。

で表される。

受信光電流は、必要とする係数を一切無視すると、

となる。ここでは、第１項が変調光そのものであり、第２項以下は雑音である。第１項ないし第６項は、それぞれ、変調光および反射光がすべてマーク側にあるときの、変調光パワー、変調光と反射光１のビート（干渉）、変調光と反射光２のビート（干渉）、反射光１パワー、反射光２パワー、反射光１と反射光２のビート（干渉）を表す。第４項ない第６項は、反射光は変調光に対して小さいことから無視できる。ここでは、第２項および第３項の影響を考慮して、規格化ビートノイズパワーとして以下を定義する。

複数の反射点が関与する場合のビートノイズは、分散値として式（７）で表される値を示すガウス分布として取り扱うことができる。逆に反射点の数が少ない場合には、ビートノイズを過剰に見積もることになる。

ここまでの議論は、反射光として双方向光増幅器４０９，４１５の両端面からの反射光１および反射光２を考慮したが、実際には、双方向光増幅器４０９，４１５の端面反射以外に、系に挿入される各種光デバイスの入出力端反射や、光コネクタによる反射なども存在し、これらの反射点からの反射光も双方向光増幅器４０９，４１５の利得を受けることにより、それらの反射率如何によってはその影響が無視できなくなる。このような場合には、ここまでの議論で用いた端面反射率ｒを、端面反射以外の反射点からの反射率の合計として捉えれば、式（７）で与えられる分散値を用いた反射光の影響の見積もりは妥当であると言える。一方、双方向光増幅器４０９，４１５の両端面からの反射のみが支配的な場合には、上記見積もりを最悪設計と見なせばよい。

以上の議論は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ: Arrayed-Waveguide Grating)のコヒーレントクロストークの影響を定量的に見積もる手法を示した、IEEE J. Lightwave Tchnol., vol.14, no. 6, pp.1097-1105, 1996の論文からの類推によるものである。但し、本光変調装置においては、変調光マーク時において反射光２が同じくマークである確率は１／２であるため、式（７）は、

に書き換えられる。この式の値は、式（２）の逆数の２倍に等しい。

＜反射光の影響についての計算例＞
図１３は、上記の式（８）を用いた計算結果を示す。同図において、横軸は変調部損失（Ｌ）［ｄＢ］、縦軸は左側がＱ値［ｄＢ］および右側が光変調装置利得［ｄＢ］を示す。光変調装置利得は、変調部（光強度変調器）４１１，４１９における３ｄＢの変調損失を考慮しない２Ｇ−（Ｌ−３．０）［ｄＢ］、および、３ｄＢの変調損失を考慮する２Ｇ−Ｌ［ｄＢ］の両方について図示している。ここでいうＱ値とは、IEEE Photon. Technol. Lett. Vol. 5, no.3, pp.304-306において提案されている、変調光の信号対雑音比(ＳＮＲ：Signal to Noise Ratio)を規定する評価パラメータであり、

により定義される。ここで、Ｓ（１）およびＳ（０）は、それぞれ、マークおよびスペースの信号レベルを表し、またσ_１およびσ_０は、それぞれ、マークおよびスペースの雑音量を表す。ここでは、Ｓ（１）＝１とすると、σ_１＝σ_ＲＩＮであり、Ｓ（０）およびσ_０は、ほぼゼロと見なすことができる。

計算では、光変調装置４０５，４０７への入力連続光パワー−６ｄＢｍ、双方向光増幅器利得Ｇ＝１０［ｄＢ］、双方向光増幅器雑音指数７ｄＢ、双方向光増幅器全体の反射率を−２２ｄＢとし、光プリアンプ受信を行わずに直接光電変換して変調光を受信するものとした。その計算結果である図１３に示すように、変調部損失Ｌ＝１１．５［ｄＢ］、つまり、Ｌ＝Ｇ＋１．５［ｄＢ］においてＱ値は最大値をとり、Ｑ値を表す曲線はその値を中心に左右対称となる。図中、（α）、（β）、（γ）、（δ）の範囲は、それぞれ、次の通りとなる。
（α）０＜＝Ｌ＜＝２Ｇ＋３．０
光変調器利得２Ｇ−［Ｌ−３．０］＞＝０、かつ、光変調器利得２Ｇ−［Ｌ−３．０］＝０（ｄＢ）のＱ値が保障される光変調部損失領域。
（β）３．０＜＝Ｌ＜＝２Ｇ
光変調器利得２Ｇ−Ｌ＞＝０、かつ、光変調器利得２Ｇ−Ｌ＝０（ｄＢ）のＱ値が保障される光変調部損失領域。
（γ）Ｇ−４．５＜＝Ｌ＜＝Ｇ＋７．５
Ｑ値が最大値に対して３ｄＢ以内となる領域。
（δ）Ｌ＝Ｇ＋１．５
最大Ｑ値をとる変調部損失。

（δ）の領域については、上記の通りである。また、（α）および（β）の領域におけるＬの上限値は、光変調利得が０［ｄＢ］以上であることを示す。また、変調部損失Ｌの値は、Ｑ値曲線が上記のように左右対称であることから必然的に決定される。

また、Ｑ値が最大値に対して３ｄＢ以内となるのは、５．５［ｄＢ］＜＝Ｌ＜＝１７．５［ｄＢ］、つまり、（Ｇ＋１．５）−６［ｄＢ］＜＝Ｌ＜＝（Ｇ＋１．５）＋６［ｄＢ］の時である。このＬの範囲はＧの値によらない。実際、上記の式（３）に示されるｘの値を、上記の式（１）に代入して得られる値の半分（３ｄＢ減）が、式（１）に等しいとした時のｘの２次方程式を解くと、その解は、

である。さらに、これを対数スケールに書き直すと、

となり、これが（γ）の領域の上限値および下限値を表す。

従って、変調部損失Ｌを（α）の領域の間の任意の範囲（例えば、（β）、（γ）、（δ））において、光変調装置が利得を保持したまま、変調光に対する反射光の比率を低く抑えることができる。このとき、図１３から明らかなように、変調部損失Ｌを（δ）のＬ＝Ｇ＋１．５に近付ける程、その比率を低くできる。

（第２の参考例）
本発明の第２の参考例の光変調装置の構成を図１４に示す。本参考例の光変調装置は、偏波回転手段を挿入することにより、双方向光増幅器の端面における反射光の影響を低減し、安定した増幅機能を実現するものである。

図１４に示すように、本装置は、入力多波長光と出力変調光とを偏波面の違で分離する偏波分離器５０１と、多波長光を所定の波長毎に分波する波長合分波器５０２と、分波された各単一波長光のパワーを双方向で増幅する双方向光増幅器５０３と、単一波長光の偏波面を双方向で回転させる偏波回転手段５０４と、単一波長光の強度を双方向で変調する光強度変調器５０５と、光強度変調器５０５から出力される変調された単一波長光を再び双方向光増幅器５０３に帰還させる光反射器５０６とを備える多波長一括光変調装置である。

偏波分離器５０１としては、一般によく使用される偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）を用いればよいが、例えば、出力光を光サーキュレータ、あるいは光カプラを介して波長合分波器５０２から出力させ、偏光子を用いて入力光と９０度偏波のずれた光のみを取り出す構成としてもよい。

波長合分波器５０２として、例えばＡＷＧを用いることができる。ＡＷＧは、ある入力導波路から入射された光が、波長に応じて異なる出力導波路から出力される。また、ＡＷＧは可逆性を有しており、複数の波長光を１つの出力導波路に合波することもできる。

双方向光増幅器５０３として、例えばＳＯＡを用いることができる。ＳＯＡは、半導体レーザの共振器端面を低反射化することにより、半導体内の活性層を進行する光を、誘導放出により増幅させる光増幅器である。双方向光増幅器５０３としては、エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）などの光ファイバ増幅器を考えることもできるが、光ファイバ増幅器は、ポンプ光を出力する半導体レーザ、エルビウムなどを添加した添加物光ファイバ、ポンプ光を添加物光ファイバに結合する結合器から構成されるため、部品点数の観点からＳＯＡよりも高コストになることが予想され、コスト面からはＳＯＡの方が有利である。

双方向光増幅器５０３と光強度変調器５０５との間には偏波回転手段５０４が配置されているが、この偏波回転手段５０４としては、１／４波長板、あるいはファラデー素子などが適用できる。また、ファラデー素子の一方の出力端に反射鏡を取り付けたファラデーミラーを用いてもよい。

光強度変調器５０５としては、例えばマッハツェンダ型光強度変調器、電界吸収型光強度変調器（ＥＡ変調器）などが適用でき、単一波長光をデータ信号で強度変調する機能を有する。これらの光強度変調器によれば、４０Ｇ（ｂｐｓ）オーダの変調信号による強度変調が実用レベルで可能である。

光反射器５０７としては、例えば金属膜をコーティングした鏡、誘電体多層膜をコーティングした鏡などが適用できる。また、特定の波長に関する反射鏡として、回折格子やファイバブラッググレーティングなども光反射器として用いることができる。また、ファイバブラッググレーティングの応用例として、光導波路に直接回折格子（グレーティング）を書き込んだ光反射器でもよい。

偏波分離器５０１の一つの出力ポートは、空間光学系あるいは光導波路によって波長合分波器５０２の入力導波路に光学的に接続されている。波長合分波器５０２の出力導波路は、それぞれ空間光学系あるいは光導波路によって双方向光増幅器５０３の片方のポートに光学的に接続されている。双方向光増幅器５０３のもう一方のポートは、同じく空間光学系あるいは光導波路によって偏波回転手段５０４の片方のポートに光学的に接続されている。偏波回転手段５０４のもう一方のポートは、同じく空間光学系あるいは光導波路によって光強度変調器５０５の片方のポートに光学的に接続されている。光強度変調器５０５のもう一方のポートは、同じく空間光学系あるいは光導波路によって光反射器５０７に光学的に接続されている。

本参考例では、光強度変調器５０５の入力、および変調光の出力を偏波分離器５０１で切りわけているが、偏波回転手段５０４として例えば１／４波長板を用いた場合、入力光と出力光の偏波面の角度は９０度ずれているので、出力光の特定の偏波だけを偏波分離器５０１で切り出せば、入力光と出力光とは分離できる。

波長合分波器５０２の入力導波路から入力された多波長光は、波長合分波器５０２で各波長毎に分波され、分波された一つの単一波長光は、それに対応する一つの双方向光増幅器５０３に導かれ、そのパワーを増幅される。

双方向光増幅器５０３は、利得の飽和領域において連続光と変調光の間の利得の奪い合いが信号劣化を引き起こす。よって、図５に示すように、連続光と変調光の双方向光増幅器５０３からの出力パワー（横軸）の和（もしくは入力パワーの和）が、ある出力パワー（もしくは入力パワー）以下において利得（縦軸）が一定に保たれる利得の未飽和領域で使用されることが望ましい。

各双方向光増幅器５０３においてパワーを増幅された連続光（単一波長光）は、それぞれそれに対応する偏波回転手段５０４に入力される。偏波回転手段５０４において、連続光は偏波面が４５度回転されて光強度変調器５０５に入力され、光強度変調器５０５で変調信号（データ信号）により強度変調される。変調された単一波長光は光強度変調器５０５の光反射器側ポートより出力され、光反射器５０７へ入力される。光反射器５０７で反射された変調光は、再び光強度変調器５０５を通過して、偏波回転手段５０４に入力される。変調光は、偏波回転手段５０４において偏波面がさらに４５度回転され、双方向光増幅器５０３に入力されて、双方向光増幅器５０３で再度光パワーを増幅される。双方向光増幅器５０３の出力変調光は、その偏波面が入力光と比べて９０度ずれているため、偏波分離器５０１により入力光と出力光とを分離することができる。従って、双方向光増幅器５０３から出た出力変調光は、波長合分波器５０２で合波されてから、偏波分離器５０１の出力ポートから装置外部に出力される。

光増幅器を双方向動作させるには、光増幅器の内部に光アイソレータを挿入することができないため、光増幅経路の両端からの端面反射の影響を考慮する必要がある。図４に示すように、この反射光は、双方向伝送時には２つ存在し（反射光１、反射光２）、反射光１は変調光と、反射光２は連続光と同一方向に進む。この連続光は強度変調されて変調光となり、反射光２は連続光と同じ経路を辿るため、従来例と同様に反射光１，２、連続光、変調光の偏波面が同じ方向とすれば、変調光には反射光１と反射光２が付与され、その結果、変調光は反射光１および反射光２の同一偏波方向成分と干渉し、ビート雑音として強度揺らぎが生じることになる。

しかしながら、偏波回転手段５０４を有する本参考例の構成においては、図１５で偏波面の方向を表わす円で囲まれた矢印で示すように、双方向光増幅器５０３の反射光１および反射光２は、同一方向に進む連続光もしくは変調光の偏波方向と直交する。反射光１は変調光と偏波方向が直交するため、出力において偏波分離器５０１において分離される。また、反射光２は連続光と偏波方向が直交し、以後強度変調されて変調光となってからもその偏波関係は保持され、反射光１と同様に出力において偏波分離器５０１において分離される。その結果、双方の光の干渉による強度揺らぎを解消することができる。

また、本参考例の構成によれば、図１５で示すように、偏波回転手段５０４からの出力が光反射器５０７により反射され、再度偏波回転手段５０４に戻ってくるまでの経路における、光の偏波面が双方向において同一であるため、光強度変調器５０５として、ＬｉＮｂＯ_３マッハツェンダ型光強度変調器などの単一の入力偏波に対してのみ変調が可能な光強度変調器を使用することが可能である。
（第３の参考例）
本発明の第３の参考例の光変調装置の構成を図１６に示す。本第３の参考例の装置は上述の第２の参考例における多波長一括光変調装置の光強度変調器５０５の前または後に（本図では後に挿入）、単一偏波のみを通過させることのできる偏光子５０６を挿入している。その他の構成は第２の参考例と同様なのでその詳細説明は省略する。

一般に、光デバイスや光ファイバを複数結合すると、直交する２つの偏波間の偏波消光比は著しく劣化する。図１６に示す構成によれば、偏波回転手段５０４からの出力が光反射器５０７により反射され、再度偏波回転手段５０４に戻ってくるまでの経路における、光の偏波面が双方向において同一であるため、光経路内に偏光子５０６を挿入することができる。この偏光子５０６の挿入により、劣化した偏波消光比を回復させることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、請求の範囲の各請求項に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。

従来の光変調回路の構成を示すブロック図である。従来の反射型光変調装置の構成を示すブロック図である。半導体光増幅器を利用した従来の光変調装置の構成を示すブロック図である。双方向光増幅器を利用した従来の光変調装置の構成を示すブロック図である。半導体光増幅器の未飽和領域を説明するグラフである。半導体光増幅器を多段接続して高利得増幅を実現する光変調装置として考えられる構成を示すブロック図である。複数の半導体光増幅器を多段接続した時の反射光の様子を示す概念図である。半導体光増幅器の反射光を説明する概念図である。２個の半導体光増幅器を多段接続した時の反射光の様子を示す概念図である。図９における信号光に対する反射光の割合を説明する図である。本発明の第１の実施形態の光変調装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態の光変調装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態の光変調装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態の光変調装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態の光変調装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態の光変調装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の参考例の光変調装置の特性を説明するグラフである。本発明の第２の参考例の光変調装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の参考例における偏波面の方向を説明する模式図である。本発明の第３の参考例の光変調装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

３０１入力側伝送路
３０９出力側伝送路

Claims

それぞれ個別の注入電流で反転分布を生成する複数ｎ個（ｎ＞＝２）の半導体光増幅器と、
入力端子と前記複数ｎ個の半導体光増幅器と出力端子を順次接続する（ｎ＋１）個の光接続手段と、
前記（ｎ＋１）個の光接続手段の奇数番の位置毎に、または偶数番の位置毎に順次挿入される光アイソレータと、
前記（ｎ＋１）個の光接続手段のうちのいずれか１箇所に挿入されて、入力する連続光に対して送信信号により強度変調を施す光強度変調手段と
を具備することを特徴とする光変調装置。
前記（ｎ＋１）個の光接続手段のうち、前記入力端子および前記出力端子と接続される光接続手段以外のいずれか１箇所に前記光強度変調手段を挿入した構成であることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
前記（ｎ＋１）個の光接続手段の中で前記光アイソレータが挿入されていない光接続手段に前記光強度変調手段を挿入した構成であることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調装置。
それぞれ個別の注入電流で反転分布を生成する複数ｎ個（ｎ＞＝２）の半導体光増幅器と、
入力端子と前記複数ｎ個の半導体光増幅器と出力端子を順次接続する（ｎ＋１）個の光接続手段と、
前記（ｎ＋１）個の光接続手段の奇数番の位置毎に、または偶数番の位置毎に順次挿入される光アイソレータとを有し、
前記複数ｎ個の半導体光増幅器の中のいずれか１つの半導体光増幅器を、送信信号により強度変調された注入電流を印加して、入力する連続光に対して強度変調を施す光強度変調手段にした構成であることを特徴とする光変調装置。