JP5859901B2

JP5859901B2 - 光送信システム

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Publication number: JP5859901B2
Application number: JP2012089415A
Authority: JP
Inventors: 浅香　航太; 航太浅香; 伊藤　敏夫; 敏夫伊藤; 遠藤　潤; 潤遠藤; 幹夫米山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2032-04-10
Also published as: JP2013219600A

Description

本発明は、光送受信システムにおいて変調レーザ光を出射する光送信システムに関する。

従来、光送受信システムにおいて光アイソレータは必須部品であった（非特許文献１参照）。光アイソレータは一方向の光のみを透過し、逆方向の光を遮る機能を有するデバイスで、偏光素子やファラデー効果を利用した回転子などの光学部品により構成され、レーザ光源への反射戻り光を阻止する。

通常、レーザ光源から出た光はその先にある光コネクタ、レンズ、光ファイバ端面、光カプラ、受光器などの光学部品表面で僅かに反射して戻ってくる。この僅かな戻り光が、出力変動やノイズなど光源の不安定化につながるため遮断する必要がある。そこで、従来の光送受信システムにおいては、光アイソレータを用いてレーザ光源に反射戻り光が入射するのを防止していた。

図４に、従来の光送受信システムの構成の一例を示す。図４に示す送受信システムは、光送信機２０２０と、光送信機２０２０から出射される変調レーザ光（以下、変調出力光）を伝搬する光ファイバ２０１５と、光ファイバ２０１５によって伝搬された変調出力光を受光する光受信機２０１７とを備えている。

光送信機２０２０は、ＥＡ（Electroabsorbtion：電界吸収型）変調器集積半導体レーザ２００１、第１レンズ２００９、光アイソレータ２０１１、及び第２レンズ２０１０を備えている。ＥＡ変調器集積半導体レーザ２００１は、レーザ発振光を出射する半導体レーザ２００２と、半導体２００２から出射されたレーザ発振光を変調出力光に変換するＥＡ変調器２００３とから構成されている。

半導体レーザ２００２は直流電流２００４を印加されることによってレーザ発振光を出射する。ＥＡ変調器２００３はＥＡドライバー２００５によって増幅された電気変調信号２００６に基づいてレーザ発振光を変調出力光に変換する。ＥＡドライバー２００５は直流電圧２００７により駆動する。尚、半導体レーザ２００２は接地され、ＥＡ変調器２００３には終端抵抗が接続されている。

ここで、通常、半導体レーザ２００２に印加される直流電流２００４は８０ｍＡ〜１５０ｍＡ程度、ＥＡ変調器２００３に印加される変調電圧（電気変調信号）２００６は電界吸収オフ時−０．５Ｖ、電界吸収オン時−３Ｖ程度、信号速度としては例えば１０Ｇｂ／ｓ程度、もしくは２８Ｇｂ／ｓ程度、あるいは４０Ｇｂ／ｓ程度となる。

図４に示す従来の光送受信システムにおいては、ＥＡ変調器集積半導体レーザ２００１から出射された変調出力光２００８は、第１レンズ２００９によって平行光に変換され、光アイソレータ２０１１を通過した後、第２レンズ２０１０によって集光され、光ファイバ２０１５の端面２０１４に入射される。そして、変調出力光２００８は光ファイバ２０１５を伝搬し、光受信機２０１７によって受光・受信される。

この光送受信システムにおいて、変調出力光の主な反射ポイントはレンズ２０１３の端面、ファイバ端２０１４、送信機２０１７の端面である。尚、レンズ２００９も光を反射するが、レンズ２００９は光が拡散するように反射するので、ＥＡ変調器集積半導体レーザ２００１に対する反射戻り光は少なく、無視できる。反射戻り光のレベルは変調出力光の例えば−３０ｄＢダウン程度であるが、場合によっては−１３ｄＢ（ファイバ接続を外した場合のフレネル反射）、あるいは反射ポイントが複数有る場合は、−１３ｄＢ以上の大きな値となることもあり得る。

図５に、光アイソレータ２０１１を設けない場合（図４に示す光送受信システムにおいて光アイソレータ２０１１を廃止した場合）の光送受信システムの伝送特性（符号誤り率評価）を示す。図５中、横軸は光受信機２０１７の最小受光感度（ｄＢｍ）、縦軸は符号誤り率である。信号速度は１０Ｇｂ／ｓ、光受信機２０１７の受信器としてはＳｉフォトダイオードを使用した。

図５中、破線は反射戻り光レベル−８ｄＢにおける符号誤り率、実線は反射戻り光レベル−１３ｄＢにおける符号誤り率、一点鎖線は反射戻り光レベル−３０ｄＢにおける符号誤り率、二点鎖線は反射戻り光レベル−∞（反射無し）における符号誤り率となっている。尚、反射戻り光レベル−４０ｄＢ以下の場合は光送受信システムに与える影響は無視できるので、−∞は−４０ｄＢ以下と考えてよい。

図５に示すように、反射戻り光レベルが増えるに従って伝送特性が劣化する。この結果、光受信機２０１７への光強度を上げても符号誤り率が下がらず、光受信機２０１７において符号誤り率を無視できる状態で受信することが困難になる。

尚、反射戻り光によって伝送特性が劣化するのは、基本的には半導体レーザ２００２から出射されるレーザ発振光が、反射戻り光によって外部から擾乱されることによる。この乱れは、現象としては低周波振動（low frequency fluctuation：ＬＦＦ）もしくはコヒーレントコラプス、あるいは何らかのカオス現象として説明される。

このようなことから、従来の光送受信システムにおいては、光送信機２０２０に光アイソレータ２０１１を設け、この光アイソレータ２０１１によって反射戻り光レベルを抑制する構成としている。光アイソレータ２０１１は例えば３５ｄＢのアイソレーション機能を有し、順方向に対する光損失が１ｄＢ程度であるのに対し、逆方向に対する光損失が３５ｄＢとなっている。よって、最大で−８ｄＢの反射戻り光が生じた場合でもＥＡ変調器集積半導体レーザ２００３に入射される反射戻り光の光強度は−４３ｄＢとなり、レーザ発振光への反射戻り光の影響を無視できることが分かる。

図６に、図４に示し上述した光アイソレータ２０１１を有する従来の光送受信システムによる伝送特性（符号誤り率評価）を示す。図６に示す符号誤り率は実際には完全に重なって区別がつかないが、分かりやすくするためにあえて少しずらしている。図６から、光アイソレータ２０１１を設けることにより、反射戻り光の影響を受けない安定した光送受信システムを得ることができることが分かる。

F. Grillot, B. Thedrez, J. Py, O. Gauthier-Lafaye, V. Voiriot, and J. L. Lafragette, "2.5-Gb/s transmision characeristics of 1.3-μm DFB lasers with external optical feedback", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 14, page 101-103, 2002.

光送受信システムにおける反射戻り光の影響は、図４に示したような光アイソレータを用いた構成とすれば解決する。しかしながら、光アイソレータには高価であるという課題があった。光アイソレータは通常、ファラデー回転子となるガーネット単結晶、それを磁化する磁石、そして２つの偏光子からなり、光部品としては一番高価である。そのため、光アイソレータをなくした安価な光送信機が求められてきた。しかしながら、光アイソレータをなくした状況下では、反射戻り光の影響を抑制し、光送信機からの出力光強度を常に一定に保つのは困難であった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高価な光アイソレータを用いることなく、光送受信システムの反射戻り光の影響を抑制すると共に、常に一定の出力光強度を実現する光送信システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、光送信機であって、半導体レーザと、電気信号を生成する電気信号生成機と、前記電気信号生成機によって生成された第１の電気信号によって駆動され、前記半導体レーザから出力されるレーザ光を変調する変調器と、前記変調器から出力された変調光を印加電流に応じて増幅する光増幅器とを備え、前記電気信号生成機によって生成された第２の電気信号が前記半導体レーザに印加されるバイアス電流に重畳され、前記電気信号生成機によって生成された、前記第２の電気信号の極性が反転した第３の電気信号が前記光増幅器に印加されるバイアス電流に重畳されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、光送信機であって、半導体レーザと、第１の電気信号を生成する第１の電気信号生成機と、前記第１の電気信号生成機によって生成された前記第１の電気信号によって駆動され、前記半導体レーザから出力されるレーザ光を変調する変調器と、前記変調器から出力された変調光を印加電流に応じて増幅する光増幅器と、第２および第３の電気信号を生成する第２の電気信号生成機と、を備え、前記第２の電気信号生成機によって生成された前記第２の電気信号が前記半導体レーザに印加されるバイアス電流に重畳され、前記第２の電気信号生成機によって生成された、前記第２の電気信号の極性が反転した前記第３の電気信号が前記光増幅器に印加されるバイアス電流に重畳されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光送信機において、前記第２及び第３の電気信号の、それぞれの出力振幅を調整するための第１及び第２のアッテネータをさらに備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光送信機において、前記第１の電気信号は誤り訂正符号を含むことを特徴とする。

本発明は、高価な光アイソレータを用いることなく、光送受信システムの反射戻り光の影響を抑制すると共に、常に一定の出力光強度を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光送信システムの構成を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る光送信システムの構成を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る光送信システムの構成を示す図である。従来の光送受信システムの構成の一例を示す図である。光アイソレータを設けない場合の光送受信システムの伝送特性（符号誤り率評価）を示す図である。光アイソレータを有する従来の光送受信システムによる伝送特性（符号誤り率評価）を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の第１の実施形態に係る光送信システムの構成を示す。光送信機１０２０は、変調器・光増幅器集積型半導体レーザ１００１、第１レンズ１００９、及び第２レンズ１０１０を備える。変調器・光増幅器集積型半導体レーザ１００１は、レーザ発振光を出射する半導体レーザ１００２、半導体１００２から出射されたレーザ発振光を変調出力光に変換するＥＡ変調器１００３、及びＥＡ変調器１００３からの出力光強度を増幅するＳＯＡ１１００を同一基板上に集積したものである。

半導体レーザ１００２には第１のバイアスティ１０５０が接続されており、第１のバイアスティ１０５０には半導体レーザ１００２を駆動する直流電流１００４が入力されている。

ＥＡ変調器１００３にはＥＡドライバー１００５が接続されており、ＥＡドライバー１００５にはＥＡドライバー１００５を駆動するための直流電圧１００７及び第１の電気変調信号生成機１００６からの第１の電気変調信号が入力されている。尚、第１の電気変調信号は誤り訂正符号を含んでいる。

ＳＯＡ１１００には第２のバイアスティ１１０５が接続されており、第２のバイアスティ１１０５にはＳＯＡ１１００を駆動する直流電流１１０２が入力されている。

さらに、第１のバイアスティ１０５０及び第２のバイアスティ１１０５には、互いに極性が反転した第２及び第３の電気変調信号１１０６及び１１０７を生成する第２の電気変調信号生成機１１０１が、第１及び第２のアッテネータ１１０３及び１１０４を介して接続されている。第１及び第２のアッテネータ１１０３及び１１０４は、第２及び第３の電気変調信号１１０６及び１１０７の振幅を調整することができる。

また、半導体レーザ１００２を終端するための抵抗１０６０を有している。抵抗１０６０は例えば４６オームで、半導体レーザ１００２の抵抗４オームと合わせて５０オームの終端になる。同様に、ＥＡ変調器１００３、ＳＯＡ１１００も、終端抵抗１０６１、１０６２を有し、抵抗１０６１、１０６２は例えば４６オームで、ＥＡ変調器１００３、ＳＯＡ１１００の抵抗４オームと合わせて５０オームの終端になる。

本実施形態の特徴の１つは、半導体レーザ１００２を駆動するための直流電流１００４に第２の電気変調信号１１０６を重畳することにより、半導体レーザ１００２に変調電流を与えることが可能であることである。この変調電流は半導体レーザ１００２に摂動を与えるため、レーザ発振光の実効的な周波数スペクトル線幅が増大し、コヒーレンシー（可干渉性）が劣化するため、反射戻り光と干渉（もしくは結合）する確率が著しく下がる。その結果として、変調電流により摂動を与えられた半導体レーザ１００２は、反射戻り光に対する耐性が強くなる。

一方、半導体レーザ１００２に変調電流が与えられるということは、変調電流の振幅及び変調信号パタンによっては、半導体レーザ１００２の出力光強度の変動を招く。そのため、本実施形態においては、出力光強度を一定とするために、直流電流１１０２で駆動されるＳＯＡ１１００の他に、第２の電気変調信号１１０６とは極性が反転した第３の電気変調信号１１０７を直流電流１１０２に重畳することにより、半導体レーザ１００２の出力光強度を常に一定とすることを可能にしている。

このように、本発明の最大の特徴は、アイソレータが不要で、かつ出力光強度が一定となる光送信機を実現することである。

次に、本実施形態の各種パラメータについて具体的に説明する。

第２の電気変調信号生成機１１０１から出力される第２の電気変調信号１１０６の電圧は例えば２Ｖであり、アッテネータ１１０３は例えば６ｄＢである。その結果、第１のバイアスティ１０５０を経由して半導体レーザ１００２に印加される電気変調信号の振幅は、１Ｖとなり、５０Ω抵抗を考慮して２０ｍＡ程度の変調電流振幅（±１０ｍＡ）となる。これに対して、直流電流１００４は例えば６０ｍＡであるので、半導体レーザ１００２には６０ｍＡの直流電流に対して±１０ｍＡの変調電流が流れる形になる。

一方、その結果、半導体レーザ１００２及びＥＡ変調器１００３からの変調出力光１００８の強度は、半導体レーザ１００２の出力光強度の変動に起因して２０ｍＷから３０ｍＷ（±５ｍＷ）程度の変動が発生する。尚、光通信システム用の光送信機において、通常はＥＡ変調器１００３による光出力変動は無視して良いので、ここでもＥＡ変調器１００３に起因する光出力変動は考慮しない。

この半導体レーザ１００２に起因する変調出力光１００８の強度変動を補償するために、半導体レーザ１００２に重畳される第２の電気変調信号１１０６に対して極性が反転した第３の電気変調信号１１０７を、ＳＯＡ１１００を駆動する直流電流１１０２に重畳する。第３の電気変調信号１１０７の電圧は例えば２Ｖであり、アッテネータ１１０４は例えば１２ｄＢである。その結果、バイアスティ１１０５を経由してＳＯＡ１１００に印可される電気変調信号の振幅は、０．５Ｖとなり、５０Ω抵抗を考慮して１０ｍＡ程度の変調電流（±５ｍＡ）となる。これに対して、直流電流１１０２は例えば１５０ｍＡであり、１５０ｍＡの直流電流に対して、±５ｍＡの変調電流が流れる形になる。

この変調電流がもたらすＳＯＡ１１００の利得変動は、先の半導体レーザ１００２の出力光強度の変動を補償するように機能し、光送信器１０２０からの出力光を２５ｍＷ程度で一定とすることを可能にする。

（実施形態２）
図２に、本発明の第２の実施形態に係る光送信システムの構成を示す。本実施形態は、図１に示した実施形態１の光送信機から、第２の電気変調信号生成機１１０１を省いた構成である。さらに、第１の電気変調信号生成機１００６において生成されるそれぞれ正及び負クロック信号１１１６及び１１１７が、第１及び第２のアッテネータ１１０３及び１１０４、さらに第１及び第２のバイアスティ１０５０及び１１０５を経て、それぞれ半導体レーザ１００２及びＳＯＡ１１００に変調電流として供給される構成となっている。

このように、図１に示した実施形態１の光送信機に必要であった第２の電気変調信号生成機１１０１が不要となるため、本実施形態における光送信機１０２０は、より安価で、かつ光出力が常に一定となるアイソレータレス光送信機であることを最大の特徴とする。

正クロック信号１１１６の電圧は例えば２Ｖであり、アッテネータ１１０３は例えば６ｄＢである。その結果、バイアスティ１０５０を経由して半導体レーザ１００２に印加される電気変調信号の振幅は、１Ｖとなり、５０Ω抵抗を考慮して２０ｍＡ程度の変調電流振幅（±１０ｍＡ）となる。これに対して、直流電流１００４は例えば６０ｍＡであり、半導体レーザ１００２には６０ｍＡの直流電流に対して±１０ｍＡの変調電流が流れる形になる。

この半導体レーザ１００２に起因する変調出力光１００８の強度変動を補償するために、半導体レーザ１００２に重畳される正のクロック信号１１１６に対して極性が反転した負クロック信号１１１７を、ＳＯＡ１１００を駆動する直流電流１１０２に重畳する。負クロック信号１１１７の電圧は例えば２Ｖであり、アッテネータ１１０４は例えば１２ｄＢである。その結果、バイアスティ１１０５を経由してＳＯＡ１１００に印加される電気変調信号の振幅は、０．５Ｖとなり、５０Ω抵抗を考慮して１０ｍＡ程度の変調電流（±５ｍＡ）となる。これに対して、直流電流１１０２は例えば１５０ｍＡであり、１５０ｍＡの直流電流に対して、±５ｍＡの変調電流が流れる形になる。この変調電流がもたらすＳＯＡ１１００の利得変動は、先の半導体レーザ１００２の出力光強度の変動を補償するように機能し、光送信器１０２０からの出力光を２５ｍＷ程度で一定とすることが可能となる。

なお、本実施例において半導体レーザ１００２への供給される変調信号として、第１の電気変調信号生成機１００６において生成される正クロック信号１１１６を用いたが、クロック信号に限らず、下記の正弦波信号（式１）もしくは複数の角周波数を有する正弦波信号（式２）を用いても良い。
式１）Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）
式２）Ａ・ｓｉｎ（θｔ）・ｓｉｎ（ωｔ）
ここで、Ａ：振幅、ω：角周波数、θ：角周波数（ω≠θ）、ｔ：時間を指す。

（実施形態３）
図３に、本発明の第３の実施形態に係る光送信システムの構成を示す。本実施形態は、図２に示した実施形態２の光送信機１０２０から、負クロック信号１１１７、第２のアッテネータ１１０４、第２のバイアスティ１１５０を省いた構成である。さらに、図２に示した実施形態２の光送信機１０２０に対し、ビームスプリッタ１２０４、集光レンズ１２０３、フォトダイオード（ＰＤ）１２０２、及びフィードバック制御回路１２０１により構成されるＡＰＣ（ＡｕｔｏＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ）フィードバック制御機構が追加されたことを特徴とする。

本実施形態におけるＡＰＣフィードバック制御は、以下のように実現される。変調器・光増幅器集積型半導体レーザ１００１からの変調出力光１００８は、レンズ１００９で平行光に変換される。平行光の一部（１０％程度以下）は、ビームスプリッタ１２０４により光路を変換され、集光レンズ１２０３を経てＰＤ１２０２に入射し、光電変換される。

一方、平行光の大部分（９０％程度以上）は、ビームスプリッタ１２０４を透過し、光ファイバ１０１５の端面１０１４に入射する。このとき、光電変換された電流または電圧値をフィードバック制御回路１２０１で検知し、予め設定した電流または電圧値と等しくなるように、ＳＯＡ１１００へのバイアス電流１１０２を増減する。これにより、変調出力光１００８が一定の光出力強度となり、ＡＰＣフィードバック制御を実現する。

図３に示した第３の実施形態において、正クロック信号１１１６（負クロック信号でも可）の電圧は例えば２Ｖであり、アッテネータ１１０３は例えば６ｄＢである。その結果、バイアスティ１０５０を経由して半導体レーザ１００２に印加される電気変調信号の振幅は、１Ｖとなり、５０Ω抵抗を考慮して２０ｍＡ程度の変調電流振幅（±１０ｍＡ）となる。これに対して、直流電流１００４は例えば６０ｍＡであり、６０ｍＡの直流電流に対して、±１０ｍＡの変調電流が流れる形になる。

一方、その結果、半導体レーザ１００２及びＥＡ変調器１００３からの出力光強度は、２０ｍＷから３０ｍＷ（±５ｍＷ）程度の変動が発生する。尚、光通信システム用の光送信機において、通常はＥＡ変調器１００３による光出力変動は無視して良いので、ここでもＥＡ変調器１００３に起因する光出力変動は考慮しない。

この半導体レーザ１００２に起因する変調出力光１００８の光出力光強度の変動は、前述したＳＯＡ１１００におけるＡＰＣフィードバック制御により補償される。ＡＰＣフィードバック制御により、ＳＯＡ１１００へのバイアス電流１１０２は、半導体レーザ１００２及びＥＡ変調器１００３からの出力光強度の２０ｍＷから３０ｍＷに対応し、たとえば１４５ｍＡ〜１５５ｍＡ程度で駆動され、変調出力光１００８を一定の光出力強度とすることが可能となる。

１００１変調器・光増幅器集積型半導体レーザ
１００２、２００２半導体レーザ
１００３、２００３ＥＡ変調器
１００４、１１０２、２００４直流電流
１００５、２００５ＥＡドライバー
１００６、１１０１、２００６電気変調信号生成機
１００７、２００７直流電圧
１００８、１０１３、１２０５、２００８、２０１３変調出力光
１００９、１０１０、２００９、２０１０レンズ
１０１４、２０１４光ファイバの端面
１０１５、２０１５光ファイバ
１０１７、２０１７光受信機
１０２０、２０２０光送信機
１０５０、１１０５バイアスティ
１０６０、１０６１、１０６２抵抗
１１００ＳＯＡ
１１０３、１１０４アッテネータ
１１０６、１１０７、１１１６、１１１７電気変調信号
１２０１フィードバック制御回路
１２０２ＰＤ
１２０３集光レンズ
１２０４ビームスプリッタ
２０１１光アイソレータ

Claims

半導体レーザと、
電気信号を生成する電気信号生成機と、
前記電気信号生成機によって生成された第１の電気信号によって駆動され、前記半導体レーザから出力されるレーザ光を変調する変調器と、
前記変調器から出力された変調光を印加電流に応じて増幅する光増幅器と
を備え、前記電気信号生成機によって生成された第２の電気信号が前記半導体レーザに印加されるバイアス電流に重畳され、前記電気信号生成機によって生成された、前記第２の電気信号の極性が反転した第３の電気信号が前記光増幅器に印加されるバイアス電流に重畳されることを特徴とする光送信機。
半導体レーザと、
第１の電気信号を生成する第１の電気信号生成機と、
前記第１の電気信号生成機によって生成された前記第１の電気信号によって駆動され、前記半導体レーザから出力されるレーザ光を変調する変調器と、
前記変調器から出力された変調光を印加電流に応じて増幅する光増幅器と、
第２および第３の電気信号を生成する第２の電気信号生成機と、
を備え、前記第２の電気信号生成機によって生成された前記第２の電気信号が前記半導体レーザに印加されるバイアス電流に重畳され、前記第２の電気信号生成機によって生成された、前記第２の電気信号の極性が反転した前記第３の電気信号が前記光増幅器に印加されるバイアス電流に重畳されることを特徴とする光送信機。
前記第２及び第３の電気信号の、それぞれの出力振幅を調整するための第１及び第２のアッテネータをさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光送信機。
前記第１の電気信号は誤り訂正符号を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光送信機。