JP6470127B2 - 光変調信号生成装置 - Google Patents

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本発明は、光通信用の光変調信号を生成する光変調信号生成装置に関するものである。
メトロ・アクセス系の光源として、電界吸収型光変調器(EA変調器、Electro-Absorption Modulator)と分布帰還型の半導体レーザ(DFBレーザ、Distributed FeedBack Laser)とを集積した光源(EA−DFB)が広く利用されている。この光源を用いた波長1.5μm帯の強度変調光の光ファイバによる伝送距離は、EA変調器のチャープに起因する光ファイバの分散制限により、10Gbit/sの信号速度において概ね80km程度である。
将来のアクセス網の長延化、メトロ網との統合化のためには、低コストかつ低消費電力でありながら、長距離伝送を可能とする光源が重要である。そこで、EA−DFBを基盤とした光源を用いた、長距離伝送を可能とする方法が特許文献1や非特許文献1,2にて提案されている。これら文献に開示された方法では分散補償の技術を用いることなく、100km超の長距離伝送が可能であることが示されている。しかしながら、EA変調器を駆動するための駆動信号用RFポートとは別に周波数変調器として動作させるためのもう1つのRFポートが必要となるため、光送信器としての構成が複雑になるという課題があった。
一方、特許文献2においては、波長可変レーザとEA変調器とを集積した光源を用いて、EA変調器を駆動する信号の一部を微分回路を介して、波長可変レーザの波長制御に印加することにより、EA変調器で生じるチャープに対して、そのチャープを相殺するように波長可変レーザの波長を可変させることで、チャープを抑える方法が提案されている。この方法では、通常のDFBレーザとは異なり、波長可変機構を有するレーザとEA変調器とを集積するため、一般的なEA−DFBと比較して光源の構造そのものが複雑となる。また、波長可変レーザを駆動するための信号を生成するために微分回路の他にインバータ回路やブリッジ回路を用いるため低コスト化に課題があった。
特開2011−159752号公報 特開平7−38188号公報
光ファイバ伝送後の送信信号エラーの主たる要因は、信号のパルス間干渉により、0,1のレベルの判定を誤ることである。特に1,0,1等のように2つの1レベルの信号の間に0レベルの信号を1ビット含んだような信号列の場合、0レベルの前後のパルスが光ファイバ伝送に伴うパルス広がりによって干渉を受ける結果、0レベルを1レベルと誤って判定し、エラーとなる。
さらに、EA変調器の動作原理上、変調動作に伴うチャープをゼロとすることは困難である。このチャープのために光ファイバによる伝送距離は更に制限される。
[従来技術によるパルス間干渉抑圧の基本原理]
特許文献1や非特許文献1,2に開示された従来の技術では、パルス間干渉による送信エラーを抑制するために、変調信号0レベルと1レベルの2値によって強度変調された光信号に対して、この強度変調と同期するように周波数変調を行っている。周波数変調によって、0レベル1レベルに応じて、Δf(GHz)の周波数偏移を与えるとき、ビットレートB(Gb/s)と周波数偏移Δfと強度変調の消光比ERとが以下の関係となるときに、1ビット分の0レベル前後のパルス間に180°の位相差を与えることができ、分散耐性の向上が可能となることが知られている。なお、消光比ERは、1レベルの光強度I1と0レベルの光強度I0との比I1/I0により定義される。
このような強度変調と周波数変調を実現するために、特許文献1や非特許文献1,2に開示された従来技術では、図11に示すように、半導体レーザ1の直接変調による周波数変調とEA変調器2の強度変調とをそれぞれ個別に実施し、式(1)を満足する条件で動作させることで、分散耐性を向上させ、伝送距離の延伸を実現していた。図11におけるR50は終端抵抗、S1はEA変調器2を駆動するための電圧信号を出力する信号源、S2は半導体レーザ1に印加される電圧信号を出力する信号源である。
図11の構成の光変調信号生成装置で生成される光変調信号は、ASK(Amplitude Shift Keying)−CPFSK(Continuous Phase Frequency Shift Keying)の信号となるが、強度変調信号を直接検波することで受信が可能な信号である。
しかしながら、図11に示した従来の構成では、周波数変調のための信号源S2と接続するRFポートP2と強度変調のための信号源S1と接続するRFポートP1の2つが光変調信号生成装置に必要であり、装置の構成が複雑かつ高コストになるという課題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、簡単かつ低コストな構成で伝送光信号のパルス間干渉による符号誤りを抑制し、伝送可能な距離を延伸することができる光変調信号生成装置を提供することを目的とする。
本発明の光変調信号生成装置は、周波数変調された光信号を出力する周波数変調光源と、この周波数変調光源から出力された光を強度変調する光強度変調器と、この光強度変調器を駆動する電圧信号が印加される端子と前記周波数変調光源の電極との間に挿入された第1のコンデンサと、前記電圧信号が印加される端子と前記周波数変調光源の電極との間に、前記第1のコンデンサと直列に挿入された抵抗と、前記周波数変調光源の電極と接地電極との間に挿入された第2のコンデンサとを備え、周波数変調による周波数偏移をΔf、ビットレートをB、消光比をERとしたとき、前記第1のコンデンサおよび抵抗によって前記電圧信号を分岐させて前記周波数変調光源に印加したときの前記周波数偏移Δfが、
を満たすように、周波数変調を実施することを特徴とするものである。
また、本発明の光変調信号生成装置の1構成例において、前記周波数変調光源は、直接周波数変調が可能な半導体レーザであり、前記周波数変調による周波数偏移Δfと前記周波数変調光源に印加される電圧VLDとの関係が、
によって表される、比例定数βを有する線形な周波数偏移‐電圧特性の領域を用いることを特徴とするものである。
また、本発明の光変調信号生成装置の1構成例において、前記抵抗の値および前記周波数変調光源の駆動条件は、前記周波数変調による周波数偏移Δfが、
を満たすように設定されることを特徴とするものである。
また、本発明の光変調信号生成装置の1構成例において、前記光強度変調器によって生じるチャープは、正のチャープまたは負のチャープであって、かつ前記周波数変調による周波数偏移Δfより小さいことを特徴とするものである
本発明によれば、光強度変調器を駆動する電圧信号と周波数変調光源の電極との間に第1のコンデンサと抵抗とを設けることにより、簡単かつ低コストな構成で伝送光信号のパルス間干渉による符号誤りを抑制し、伝送可能な距離を延伸することができる。
従来の光変調信号生成装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第1の実施の形態に係る光変調信号生成装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第1の実施の形態に係る光変調信号生成装置の等価回路図である。 本発明の第1の実施の形態においてEA変調器を駆動する電圧信号と半導体レーザに印加される分岐電圧の時間変化の1例を示す図である。 本発明の第1の実施の形態における光変調信号を説明する図である。 本発明の第1の実施の形態においてEA変調器を駆動する電圧信号と半導体レーザとの間に挿入される抵抗と、半導体レーザに印加される分岐電圧との関係の1例を示す図である。 本発明の第1の実施の形態において半導体レーザに印加される分岐電圧の振幅と周波数変調による光変調信号の周波数偏移との関係の1例を示す図である。 本発明の第1の実施の形態に係るEA変調器集積光源の模式図である。 従来の光変調信号生成装置および本発明の第1の実施の形態に係る光変調信号生成装置から出力された光変調信号の100km伝送後の信号波形のアイパターンを示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係る光変調信号生成装置の構成を示すブロック図である。 従来の光変調信号生成装置の構成を示すブロック図である。
[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。強度変調のみを行う通常のEA変調器集積光源の電気配線においては、図1に示すように単一の配線板を用いてEA変調器2のみに高周波の電圧信号を印加するように配線される。EA変調器2のみに電圧信号を印加する理由は、半導体レーザ1に電圧信号を印加することでEA変調器2と別のチャープが発生することを避けるためである。
一方、特許文献1や非特許文献1,2に開示された光変調信号生成装置では、式(1)を満足する条件で、半導体レーザ1の直接変調による周波数変調とEA変調器2による強度変調とをそれぞれ個別に実施することにより、伝送距離の延伸を実現していたが、上記のとおり光源の構成が複雑かつ高コストになるという課題があった。
これに対して、本実施の形態では、EA変調器2のみに高周波の電圧信号を印加する差動駆動用等の配線板を用いて意図的に半導体レーザ1側に高周波の電圧信号が印加されるように配線または実装を行う。図2は本実施の形態に係る光変調信号生成装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態では、以下のようにEA変調器2を駆動するための電圧信号VSのみで、半導体レーザ1の直接周波数変調を実施することが可能となるので、図1に示した通常の構成と同様に、変調駆動のために必要なRFポートを、信号源S1と接続するRFポートP1のみにすることができる。
従来と同様に、EA変調器2の駆動用の電極には、信号源S1からRFポートP1を介して電圧信号VSが印加される。
一方、RFポートP1と半導体レーザ1の電流注入用の電極との間には、半導体レーザ用のバイアス電流がEA変調器2に流れることを抑止するためのコンデンサC1とEA変調器2を駆動する電圧信号VSを分圧するための抵抗R1とが直列に挿入されている。このようなコンデンサC1および抵抗R1の追加により、電圧信号VSを分岐し、半導体レーザ1に印加することで、半導体レーザ1の直接周波数変調を実現する。
図3は本実施の形態の光変調信号生成装置の等価回路を示している。図3において、Iは半導体レーザ1へのバイアス電流、Lは半導体レーザ1へバイアス電流Iを印加するために用いられるバイアスティのインダクタンスである。コンデンサC1のキャパシタンスをC、抵抗R1の値をR、半導体レーザ1の抵抗値をRLDとすると、これらキャパシタンスCと抵抗値R,RLDと角周波数ωの電圧信号VSとから、半導体レーザ1に印加される電圧の大きさVLDは、以下の式(2)のように表すことができる。
上記のとおり、Lはバイアスティのインダクタンスを示しているが、EA変調器2を駆動するための高周波の電圧信号VSに対しては、開放となるため無視できる。
図4は、図3に示した等価回路に基づく数値計算によって得られた電圧信号VSと半導体レーザ1に印加される分岐電圧VLDの時間変化の1例を示す図である。図4より明らかなように、半導体レーザ1に印加される分岐電圧VLDとEA変調器2に印加される電圧信号VSとが同期していることから、これらの信号を用いて周波数変調と強度変調とを同時に行うことによって、図5(A)、図5(B)に示すような光変調信号が得られることになる。図5(A)は本実施の形態の光変調信号生成装置から出力される光変調信号の光強度−時間特性を示し、図5(B)は光変調信号生成装置から出力される光変調信号の周波数−時間特性を示している。
図6は抵抗R1の値Rと分岐電圧VLDとの関係を計算した1例を示す図である。ここでは、半導体レーザ1の抵抗値RLD=5Ω、電圧信号VS=2V、キャパシタンスC=1pF、周波数f=10GHzとして計算している。図6によれば、分岐電圧VLDの大きさは、抵抗R1の値Rによって調整できることが分かる。
また、コンデンサC1のキャパシタンスCの大きさは、半導体レーザ1のバイアス電流がEA変調器2へ流れることを抑止することができればよく、数ピコF〜数百ピコFの広い範囲の大きさで十分である。
図7は、半導体レーザ1に印加される分岐電圧VLDの振幅と周波数変調による光変調信号の周波数偏移Δfとの関係の1例を示す図である。この分岐電圧VLDと周波数偏移Δfとの関係は、半導体レーザ1の駆動条件となるバイアス電流や温度に依存するが、標準的な駆動条件下の場合、例えば電流―光出力の関係が線形となる領域を用いる場合には、周波数偏移Δfも線形となることから、式(3)のように表すことができる。
式(3)におけるβは比例定数であり、半導体レーザ1の駆動条件(バイアス電流や温度)によって変化するパラメータである。
本実施の形態では、式(2)と式(3)とによって規定される周波数偏移Δfが式(1)を満たすように半導体レーザ1の直接変調による周波数変調を実施すると同時に、EA変調器2による強度変調を実施する。周波数変調による光変調信号の周波数偏移Δfが式(1)を満たすようにするためには、半導体レーザ1の駆動条件(バイアス電流や温度)の設定によって定数βを調整したり、抵抗R1の値Rの設定によって分岐電圧VLDを調整したりすればよい。
図8は、本実施の形態で用いる半導体レーザ1とEA変調器2とを集積したEA変調器集積光源の模式図である。EA変調器集積光源は、半導体基板100と、半導体基板100上に形成された半導体レーザ1のコア層(活性層)101と、コア層101上に形成された半導体レーザ1の回折格子層102と、半導体レーザ1から出射された光をEA変調器2へ伝搬させるパッシブ層103と、半導体基板100上に形成されたEA変調器2のコア層(吸収層)104と、回折格子層102とパッシブ層103とコア層104との上に形成されたクラッド層105と、半絶縁半導体またはポリイミド等からなる電流ブロック層106と、クラッド層105上に形成されたコンタクト層107と、電流ブロック層106上に形成されたパッシベーション膜108と、パッシベーション膜108上に形成された半導体レーザ1の電極109と、パッシベーション膜108上に形成されたEA変調器2の電極110とから構成される。
EA変調器集積光源の構成は、半絶縁性半導体の埋め込み再成長によって半導体レーザ1とEA変調器2とを構成するものや、リッジ構造とポリイミド系の樹脂による埋め込み構造を用いるものであっても構わない。
図9(A)は図1に示した従来の光変調信号生成装置から出力された光変調信号の100km伝送後の信号波形のアイパターンを示す図、図9(B)は本実施の形態の光変調信号生成装置から出力された光変調信号の100km伝送後の信号波形のアイパターンを示す図である。ここでは、ビットレートを10Gbit/sとしている。本実施の形態によれば、従来の光変調信号生成装置と比較して、良好なアイ開口が得られることが確認できる。
以上のようにして、本実施の形態では、RFポートが1つのみの簡単かつ低コストな構成で伝送光信号のパルス間干渉による符号誤りを抑制し、伝送可能な距離を延伸することができる。
なお、本実施の形態および以下の第2の実施の形態では、EA変調器2の持つ固有のチャープに対して、付加的に周波数変調を与えるようにしているため、EA変調器2の駆動条件によって変化するチャープの符合については、正負どちらであっても構わない。ただし、このチャープは、周波数変調による光変調信号の周波数偏移Δfよりも小さいことが望ましい。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図10は本発明の第2の実施の形態に係る光変調信号生成装置の構成を示すブロック図であり、図2と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の光変調信号生成装置は、第1の実施の形態の光変調信号生成装置に対して、半導体レーザ1による周波数変調とEA変調器2による強度変調のタイミング調整のために、半導体レーザ1と並列に遅延調整のためのコンデンサC2を追加したものである。
このコンデンサC2は、具体的には、図8の電極109と半導体基板100の下面に形成される接地(GND)側の電極(不図示)との間に挿入すればよい。コンデンサC2としては、キャパシタンスのオーダーが数ピコF程度のものを用いればよい。コンデンサC2のキャパシタンスをCdとすると、コンデンサC2が無い場合の半導体レーザ1への印加電圧VLDに対して、コンデンサC2を追加した場合の半導体レーザ1への印加電圧VLDDは次のように示される。
このように、本実施の形態では、周波数変調に対する強度変調の遅延時間を調整するために、コンデンサC2のキャパシタンスCdの設定によってコンデンサC2へのチャージ時間を調整することができ、半導体レーザ1への印加電圧VLDDのタイミングを調整することができるので、半導体レーザ1による周波数変調とEA変調器2による強度変調とを精度良く同期させることが可能となる。
なお、第1、第2の実施の形態では、周波数変調による周波数偏移Δfを得るための周波数変調光源として、半導体レーザ1、具体的には直接周波数変調が可能なDFBレーザを用いたが、これに限るものではなく、DBR(Distributed Bragg Reflector)レーザ、二重共振型リングレーザ、SSG(Super Structure Grating)−DBRレーザ等の波長可変レーザの可変機構を電圧または電流によって制御することで、式(1)、式(4)を満たす動作が可能なものであれば、本発明の周波数変調光源として用いることが可能である。
また、第1、第2の実施の形態では、光強度変調器として、EA変調器を用いたが、マッハ・ツェンダ型光変調器を用いることも可能である。
本発明は、光通信用の光変調信号を生成する技術に適用することができる。
1…半導体レーザ、2…EA変調器、R50…終端抵抗、R1…抵抗、C1,C2…コンデンサ、P1…RFポート、S1…信号源。

Claims (4)

  1. 周波数変調された光信号を出力する周波数変調光源と、
    この周波数変調光源から出力された光を強度変調する光強度変調器と、
    この光強度変調器を駆動する電圧信号が印加される端子と前記周波数変調光源の電極との間に挿入された第1のコンデンサと、
    前記電圧信号が印加される端子と前記周波数変調光源の電極との間に、前記第1のコンデンサと直列に挿入された抵抗と
    前記周波数変調光源の電極と接地電極との間に挿入された第2のコンデンサとを備え、
    周波数変調による周波数偏移をΔf、ビットレートをB、消光比をERとしたとき、前記第1のコンデンサおよび抵抗によって前記電圧信号を分岐させて前記周波数変調光源に印加したときの前記周波数偏移Δfが、
    を満たすように、周波数変調を実施することを特徴とする光変調信号生成装置。
  2. 請求項1記載の光変調信号生成装置において、
    前記周波数変調光源は、直接周波数変調が可能な半導体レーザであり、
    前記周波数変調による周波数偏移Δfと前記周波数変調光源に印加される電圧VLDとの関係が、
    によって表される、比例定数βを有する線形な周波数偏移‐電圧特性の領域を用いることを特徴とする光変調信号生成装置。
  3. 請求項1または2記載の光変調信号生成装置において、
    前記抵抗の値および前記周波数変調光源の駆動条件は、前記周波数変調による周波数偏移Δfが、
    を満たすように設定されることを特徴とする光変調信号生成装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光変調信号生成装置において、
    前記光強度変調器によって生じるチャープは、正のチャープまたは負のチャープであって、かつ前記周波数変調による周波数偏移Δfより小さいことを特徴とする光変調信号生成装置。
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