JPH0494230A - 光周波数偏移量安定化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光周波数偏移変調方式を用いた送信用光源の
周波数偏移量安定化装置に関するものである。

（従来の技術） 光周波数偏移変調（ＦＳＫ：　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　５
ｈｉｆｔ　ｋｅｙｉｎｇ）方式を用いた光フアイバ通信
において、送信光源の周波数偏移量が決まると、通常、
最適な受信器の周波数弁別特性が求まる。例えば、遅延
検波を用いた光へテロダイオン検波受信では、その周波
数弁別特性は余弦波状の周期特性を持つ。その周期特性
の山と谷に対応した周波数差と光ＦＳＸ信号光の周波数
偏移量とが等しいとき、最大の復調信号を得ることがで
きる。しかし、周囲の温度等の外乱によって、送信用光
源の周波数偏移量が揺らぐと、受信状態が劣化する。こ
の劣化を抑えるためには、周波数偏移量の安定化が必要
となる。

従来、周波数偏移量を安定化する方法として、マツハツ
エンダ干渉計の透過周期特性と周波数偏移量とが一致す
るように、印加するデジタル信号の振幅を制御する方法
（特開平２−４１０４３号公報）が知られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の方法では、マツハツエンダ干渉計
の透過光受信信号と元のデジタル信号とをミキサで掛は
合わせることにより、受信信号とデジタル信号とが同相
が逆相がを判別し、制御誤差信号を得ていた。これはデ
ジタル信号のビットレイト程度の速度で位相差を検出し
ていることになり、高ビツトレイトになるほどこの位相
検出は困難になることが予想される。また用いる回路も
高速のものが要求される。

本発明の目的は、比較的低速、簡便な回路によって、光
ＦＳＫ送信用光源の周波数偏移量の揺らぎを抑えること
のできる光周波数偏移量安定化装置を提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記の問題点を解決するために、第１の発明
では、注入電流によって光周波数偏移する半導体レーザ
と、前記半導体レーザを駆動するバイアス電流源と、前
屈半導体レーザに印加するデジタル信号の振幅を変化さ
せることのできる可変減衰器と、前記半導体レーザの出
力信号光が入射する複屈折材料でつくられたファブリ・
ペロ・エタロンと、前記ファブリ・ペロ・エタロンの出
射光を常光線と異常光線とに偏波分離する偏波分離素子
と、前記偏波分離された常光線と異常光線とをそれぞれ
受光して電気信号に変換する２つの光検出器と、前記２
つの光検出器の出力をそれぞれ入力する２つのローパス
フィルタと、前記２つのローパスフィルタの出力の和を
とり光周波数偏移量安定化のために前記可変減衰器にフ
ィードバックする誤差信号を得るための加算増幅器とを
有することを特徴とする。また、前記半導体レーザの出
力信号光の中心周波数安定化のために前記２つのローパ
スフィルタの出力の差をとり前記バイアス電流源にフィ
ードバックする差動増幅器を設けてもよい。

第２の発明は、注入電流によって光周波数偏移する半導
体レーザと、前記半導体レーザを駆動するバイアス電流
源と、前記半導体レーザに印加するデジタル信号の振幅
を変化させることのできる可変減衰器と、前記半導体レ
ーザの出力信号光が入射するマツハツエンダ干渉計と、
前記マツハツエンダ干渉計の２つの出力ポートからの出
力光を受光して電気信号に変換するバランス型光検出器
と、前記バランス型光検出器の出力信号を２分岐した後
それぞれを半波整流する２組の半波整流器と、前記２組
の半波整流器の出力をそれぞれ入力する２つのローパス
フィルタと、前記２つのローパスフィルタの出力の差を
とり光周波数偏移量安定化のために前記可変減衰器にフ
ィードバックする誤差信号を得るための差動増幅器とを
有することを特徴おする。また、前記半導体レーザの出
力信号光の中心周波数安定化のために前記２つのローパ
スフィルタの出力の和をとり前記バイアス電流源にフィ
ードバックする加算増幅器を設けてもよい。

第３の発明は、注入電流によって光周波数偏移する半導
体レーザと、前記半導体レーザを駆動するバイアス電流
源と、前記半導体レーザに印加するデジタル信号の振幅
を変化させることのできる可変減衰器と、前記半導体レ
ーザの出力信号光が入射する定偏波ファイバと、前記定
偏波ファイバの出射光の偏波状態を直線偏波に変換する
４分の１波長板と、前記４分の１波長板の出射光を２分
岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで２
分岐した信号光をそれぞれ入射する２つの偏光板と、前
記２つの偏光板の出射光を受光して電気信号に変換する
２つの光検出器と、前記２つの光検出器の出力をそれぞ
れ入力する２つのローパスフィルタと、前記２つのロー
パスフィルタの出力の和をとり光周波数偏移量安定化の
ために前記可変減衰器にフィードバックする誤差信号を
得るための加算増幅器とを有することを特徴とする。ま
た、前記半導体レーザの出力信号光の中心周波数安定化
のために、前記２つのローパスフィルタの出力の差をと
り、前記バイアス電流源にフィードバックする差動増幅
器を設けてもよい。

（作用） 本発明のうち第１の発明では、半導体レーザから出力さ
れたＦＳＫ信号光を、複屈折材料でつくられたファブリ
・ペロ・エタロンに入射させる。この場合、常光線と異
常光線とでエタロンの実効的な屈折率が異なるため、フ
ァブリ・ペロ・エタロンの共振周波数も異なる。この常
光線と異常光線とを偏波分離プリズムで分離し、それぞ
れ光検出器で受光することによって、異なる光周波数で
共振ピークをもつ光周波数弁別特性がそれぞれ得られる
。ここで、これら２つの光周波数弁別特性のうち、常光
線に対応する光周波数弁別特性をたとえば光周波数ｆ。

より高い周波数で透過する特性を持つように、異常光線
に対応する光周波数弁別特性をｆ。より低い周波数で透
過する特性を持つように設計する。これらの光周波数弁
別器に中心周波数ｆ。のＦＳＫ信号光を入射した場合、
これらの光周波数弁別器の透過光を受光した平均光パワ
ーの和は、周波数偏移量に対応しており、この値が一定
になるように印加するデジタル信号の振幅を制御するこ
とにより、周波数偏移量を安定化することができる。さ
らに、２つの平均光パワーの差をとり、これを誤差信号
とすることにより、送信信号光の中心周波数安定化も同
時に実現することができる。

第２の発明では、半導体レーザの出力信号光をマツハツ
エンダ干渉計に入射し、このマツハツエンダ干渉計の２
つの出力ポートからの出力光をバランス型光検出器で受
光して電気信号に変換する。

バランス型光検出器の出力信号は、光周波数に依って正
と負に変化し、ゼロクロスの周期特性を示す（出力信号
がゼロとなる光周波数をｆ。とする）。

このバランス型光検出器からの出力信号を半波整流する
ことにより、正と負の信号を分けることができる。この
マツハツエンダ干渉計に、中心周波数ｒ。のＦＳＫ信号
を入射した場合、２つの半波整流器の平均出力の差は、
周波数偏移量に対応しており、この値が一定になるよう
に印加するデジタル信号の振幅を制御することにより、
周波数偏移量を安定化することができる。さらに、２つ
の半波整流器の平均出力の和をとり、これを誤差信号と
することにより、送信信号光の中心周波数安定化も同時
に実現することができる。

第３の発明では、半導体レーザの出力信号光を、直交す
る直線偏波間で伝播遅延時間差を持つ定偏波ファイバに
入射する。定偏波ファイバの出射光を４分の１波長板で
直線偏波に変換した後、偏光板を通して光検出器で受光
すると、その出力信号はマツハツエンダ干渉計と同様の
周波数弁別特性を示す。また、上記の状態から偏光板光
学軸を４５°回転すると、光周波数軸上で４分の１波長
分ずらした周波数弁別特性を得ることができる。これら
互いに４分の１波長分共振周波数がずれた周波数弁別特
性を周波数偏移量安定化に用いる。すなわち、それぞれ
の偏光板透過光パワーの平均値の和が一定となるように
印加するデジタル信号の振幅を制御することにより、周
波数偏移量を安定化することができる。さらに、２つの
平均値の差をとり、これを誤差信号とすることにより、
送信信号光の中心周波数安定化も同時に実現することが
できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

第１図は、本発明筒１の実施例を示す。第１図において
、注入電流によって光周波数偏移する１、５□ｍ帯半導
体レーザ３は、バイアス電流源１７によって発振してい
る。伝送すべき２．５Ｇｂ／ｓのデジタル電気信号１を
、外部からの信号に依って減衰量を変えることのできる
可変減衰器２に通した後、半導体レーザ３に印加する。

半導体レーザ３から出射した光周波数偏移変調された（
周波数偏移量２．５ＧＨｚ）出力信号光４を、光ファイ
バ６に入射し、光分岐器５および３４によって分岐する
。分岐した出力信号光４のひとつを、手動の偏波制御器
１３を通した後、水晶製のファブリ・ペロ・エタロン８
に入射する。このファブリ・ペロ・エタロン８は、平行
度の高い水晶板の両面に誘電体膜を蒸着してミラーとし
、光学的な干渉を生じさせるものである。水晶の屈折率
は常光線に対して１．５２８、異常光線に対して１．５
３６であり、複屈折性を示す。ファブリ・ペロ干渉計の
共振周波数ｆは、 ｆ　＝ｍｃ／２ｎｌ と表される。ここでｍは次数であり正の整数、ｃｏは真
空中の光速度、ｎは屈折率、■はエタロンの厚さである
。すなわち、複屈折材料では常光線、異常光線とで屈折
率が異なるため、共振周波数の異なる周波数弁別特性を
得ることができる。ただし、常光線、異常光線との屈折
率差が太きいため、等しい次数ｍでは共振ピークの周波
数差は１．０５ＴＨｚと大きくなるが、一方の次数を選
ぶことによって常光線、異常光線とで周波数の小さい共
振ピークを用いることができる。実際には、第２図に示
すように、常光線二異常光線との共振ピーク周波数が約
５ＧＨｚとなるように長さを定めた。また、第２図に示
すように、光周波数ｆ。で対称となるような透過特性を
持つようにフィネスを調整しである。また第３図に示す
ように、このファブ１ルペロ・エタロン８に入射する信
号光４の偏波状態は、偏波制御器１３によって、ファブ
１ルベロ・エタロン８の常光線方向に対して４５°傾い
た直線偏波となるように調整しておく。ファブ１ルペロ
・エタロン８の出射光を、偏波分離プリズム９により常
光線と異常光線とに分離し、それぞれ第１、第２の光検
出器１０．１４で受光し電気信号に変換した後、第１、
第２のローパスフィルタ１１゜１５で平均化する。すな
わち第１、第２のローパスフィルタ１１．１５の出力は
、透過光の平均光パワーに相当する。ここで第２図に示
すように、光ＦＳＸ信号光の中心周波数をｆ。とじた場
合、周波数偏移量が大きくなると、第１、第２のローパ
スフィルタ１１．１５の出力は共に大きくなる。逆に、
周波数偏移量が小さくなると、第１、第２のローパスフ
ィルタ１１．１５の出力は共に小さくなる。すなわち、
第１、第２のローパスフィルタ１１．１５の出力の和（
加算増幅器１２の出力）が常に一定の値となるように、
半導体レーザ３に印加するデジタル電気信号１の振幅を
可変減衰器２で制御することによって、光周波数偏移量
安定化を図ることができる。ただし実施例では、半導体
レーザ３の光出力を第３の光検出器３５でモニタし、第
２の除算増幅器３７によって加算増幅器１２の出力を光
出力で割算し規格化することにより、半導体レーザ３の
光出力が変動した場合でも安定に光周波数偏移量を安定
化できるようにしである。また、第１、第２のローパス
フィルタ１１．１５の出力の差（差動増幅器１６の出力
）が常にゼロとなるように、半導体レーザ３に印加する
バイアス電流源３を制御することによって、光中心周波
数安定化も同時に実現することができる。以上の構成に
より、２．５Ｇｂ／ｓ、光周波数偏移量２．５ＧＨｚで
半導体レーザ３をＦＳＫ変調した結果、光周波数偏移量
の変動を長時間にわたり±１０ＭＨｚ以下に抑えること
ができた。また、用いた光検出器も応答速度がＩＧＨｚ
程度のものであり、ビットレイトに対し比較的低速の素
子でも光周波数偏移量安定化が図れることがわかった。

第４図は、本発明の第２の実施例を示す。第４図では、
半導体レーザ３からの光ＦＳＫ出力信号光４（ビットレ
イト２．５Ｇｂ／ｓ、光周波数偏移量２．５ＧＨｚ）を
、導波路でつくられたマツハツエンダ干渉計１８に入射
する。マツハツエンダ干渉計１８は入射光を２分岐し、
一方を遅延させた後合波することにより、光学的な干渉
を起こさせるものである。このマツハツエンダ干渉計１
８の２つの出力ポートからの出力光をバランス型光検出
器１９で受光して電気信号に変換する。バランス型検出
器１９は２つの光検出器を直列に接続し、この接続点の
電位差から信号を取り出すものである。このバランス型
光検出器１９の電気出力は、第５図に示すように、正弦
波状の周波数弁別特性を示す。このバランス型光検出器
１９の電気出力を２分岐し、それぞれダイオードと抵抗
で構成される第１、第２の半波整流器２６．２７で半波
整流する。

この結果、第１の半波整流器２６からは正の値の信号が
、第２の半波整流器２７からは負の値の信号がそれぞれ
出力される。ここで光ＦＳＫ信号光の中心周波数をゼロ
クロスとなる周波数ｆ。とじた場合、周波数偏移量が大
きくなると、第１の半波整流器２６の出力は正の値で大
きくなり、第２の半波整流器２７の出力は負の値でその
絶対値は大きくなる。すなわち、第１の発明と同様に、
第１、第２の半波整流器２６．２７の出力の平均値の差
（差動増幅器２２の出力）を可変減衰器２にフィードバ
ックすることによって、光周波数偏移量安定化を図るこ
とができる。ただし、ここでは第２の半波整流器２７の
出力が負の値であるため、第１、第２の半波整流器２６
．２７の出力の平均値の差を光周波数偏移量安定化に、
和を光中心周波数安定化に用いている。以上の構成によ
って、光周波数偏移量安定化を行った結果、第１の実施
例と同程度の安定度が得られた。

第６図は本発明の第３の実施例である。第６図では、半
導体レーザ３のＦＳＸ出力信号光４を、手動の偏波制御
器１３を通した後、定偏波ファイバ２９に入射する。定
偏波ファイバ２９は、直交する２つの固有軸を持ち、信
号光の偏波をこの固有軸に合わせて入射すると偏波状態
が保持されたまま伝播するような光ファイバである。ま
た定偏波ファイバ２９は直交する固有軸（直線偏波）間
で伝播遅延時間差を持つため、光周波数が変化すると偏
波分散により出射偏波状態が変化する。第７図に示すよ
うに、ＦＳＫ信号光４の偏波状態を偏波制御器１３によ
って、定偏波ファイバ２９の固有軸に対して４５°傾い
た直線偏波となるように調整しておく。また、定偏波フ
ァイバ２９の出射側に、定偏波ファイバ２９の固有軸に
対して光学軸を４５°傾けた４分の１波長板３０を配置
する。これにより、４分の１波長板３０の出射光は直線
偏波に変換される。この４分の１波長板３０の出射光を
ビームスプリッタ３１で２分岐し、一方の出射光を定偏
波ファイバ２９の固有軸に対して光学軸を０°とした第
１の偏光板３２を通して第１の光検出器１０で受光する
。他方の出射光を定偏波ファイバ２９の固有軸に対して
光学軸を４５°とした第２の偏光板３３を通して第２の
光検出器１４で受光する。第８図に示すように、第１、
第２の光検出器１０．１４の出力信号は、光周波数軸上
で４分の１波長分ずれた周波数弁別特性を示す。これら
互いに４分の１波長分共振周波数がずれた周波数弁別特
性を周波数偏移量安定化に用いる。すなわち、それぞれ
の偏光板透過光パワーの平均値の和が一定となるように
印加するデジタル信号の振幅を制御することにより、周
波数偏移量を安定化することができる。さらに、２つの
平均値の差をとり、これを誤差信号とすることにより、
送信信号光の中心周波数安定化も同時に実現することが
できる。以上の構成によって、光周波数偏移量安定化を
行った結°果、２．５ＧＨｚの光周波数偏移量に対し±
１０ＭＨｚ程度の安定度が得られ、本発明の有効性が示
された。

以上のように、本発明では光ＦＳＸ信号光を周波数弁別
して復調した信号の平均値を用いて制御しているため、
光検出器や電気回路はビットレイトに対して比較的低速
のものが使えるため、簡便にかつ低コストで光周波数偏
移量安定化を実現することができる。

以上、本発明の実施例を３つ説明しため八本発明はこれ
ら実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で
種々の変形、変更が可能なことはもちろんである。例え
ば送信用光源として半導体レーザを用いたが、外部から
の信号によって光周波数偏移するようなレーザ装置であ
れば、どのような種類のレーザでもその使用は可能であ
る。また外部変調器によって光周波数偏移を起こすこと
も可能である。デジタル電気信号の振幅を変化させる可
変減衰器の代わりに、可変ゲイン増幅器を用いることも
可能である。第２の発明で用いたマツハツエンダ干渉計
も導波路型に限らず、光フアイバカプラで構成したもの
、複屈折材料や定偏波ファイバを用いたものなど、いか
なるマツハツエンダ干渉計の構成でもその使用は可能で
ある。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、比較的低速、簡
便な回路光ＦＳＸ送信用光源の周波数偏移量の揺らぎを
抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例の構成図、第２図はフ
ァブリ・ペロ・エタロンの透過特性と制御の概念を示す
図、第３図はファブリ・ペロ・エタロンに入射するＦＳ
Ｋ信号光の偏波状態を表す図、第４図は本発明の第２の
実施例の構成図、第５図はマツハツエンダ干渉計の周波
数弁別特性と半波整流器の出力を示す図、第６図は本発
明の第３の実施例の構成図、第７図は定偏波ファイバに
入射するＦＳＸ信号光の偏波状態を表す図、第８図は定
偏波ファイバを用いた干渉計の周波数弁別特性を示す図
である。 １・・・デジタル電気信号、２・１．可変減衰器、３・
・・半導体レーザ、４，７・・・出力信号光、５．３４
・・・光分岐器６・・・光ファイバ、８・・・ファブリ
・ペロ・エタロン、 ９、・・偏波分離プリズム、１０・・・第１の光検出器
、１１．１５・・・ローパスフィルタ、１２・・・加ｊ
Ｉ　増幅ｈ、１３・・・偏波制御器、１４・・・第２の
光検出器、１６・・・差動増幅器、１７・・・バイアス
電流源、１８・・・マツハツエンダ干渉計、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）注入電流によって光周波数偏移する半導体レーザ
   と、前記半導体レーザを駆動するバイアス電流源と、前
   記半導体レーザに印加するデジタル信号の振幅を変化さ
   せることのできる可変減衰器と、複屈折材料でつくられ
   前記半導体レーザの出力信号光が入射するファブリ・ペ
   ロ・エタロンと、前記ファブリ・ペロ・エタロンの出射
   光を常光線と異常光線とに偏波分離する偏波分離素子と
   、前記偏波分離された常光線と異常光線とをそれぞれ受
   光して電気信号に変換する２つの光検出器と、前記２つ
   の光検出器の出力をそれぞれ入力する２つのローパスフ
   ィルタと、前記２つのローパスフィルタの出力の和をと
   り光周波数偏移量安定化のために前記可変減衰器にフィ
   ードバックする誤差信号を得るための加算増幅器と、を
   有することを特徴とする光周波数偏移量安定化装置。
2. （２）注入電流によって光周波数偏移する半導体レーザ
   と、前記半導体レーザを駆動するバイアス電流源と、前
   記半導体レーザに印加するデジタル信号の振幅を変化さ
   せることのできる可変減衰器と、前記半導体レーザの出
   力信号光が入射するマッハツェンダ干渉計と、前記マッ
   ハツェンダ干渉計の２つの出力ポートからの出力光を受
   光して電気信号に変換するバランス型光検出器と、前記
   バランス型光検出器の出力信号を２分岐した後それぞれ
   を半波整流する２組の半波整流器と、前記２組の半波整
   流器の出力をそれぞれ入力する２つのローパスフィルタ
   と、前記２つのローパスフィルタの出力の差をとり光周
   波数偏移量安定化のために前記可変減衰器にフィードバ
   ックする誤差信号を得るための差動増幅器と、を有する
   ことを特徴とする光周波数偏移量安定化装置。
3. （３）注入電流によって光周波数偏移する半導体レーザ
   と、前記半導体レーザを駆動するバイアス電流源と、前
   記半導体レーザに印加するデジタル信号の振幅を変化さ
   せることのできる可変減衰器と、前記半導体レーザの出
   力信号光が入射する定偏波ファイバと、前記定偏波ファ
   イバの出射光の偏波状態を直線偏波に変換する４分の１
   波長板と、前記４分の１波長板の出射光を２分岐するビ
   ームスプリッタと、前記ビームスプリッタで２分岐した
   信号光をそれぞれ入射する２つの偏光板と、前記２つの
   偏光板の出射光を受光して電気信号に変換する２つの光
   検出器と、前記２つの光検出器の出力をそれぞれ入力す
   る２つのローパスフィルタと、前記２つのローパスフィ
   ルタの出力の和をとり光周波数偏移量安定化のために前
   記可変減衰器にフィードバックする誤差信号を得るため
   の加算増幅器と、を有することを特徴とする光周波数偏
   移量安定化装置。