JPH06506564A - 周波数分割光通信システムのための端子 - 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】 周波数分割光通信システムのための端子技術分野 本発明は、周波数分割光通信システムのための端子に関し、前記システムは、切 替え可能なレーザダイオード、分岐を有する光学的導波管、ミラー、および回折 格子を備えた半導体基板上の光学集積体中に形成され、前記端子は、 一通信システムへの少なくとも２個の接続部、−前記２個の接続部間に延び少な くとも１個のレーザダイオードを備えた送信用導波管、 一少なくとも２個の反射面を有する導波管として形成された分散型光学的空洞、 を含んでいる。

背景技術 光通信ネットワークにおける端子は、例えば導波管−光学的双方向カップラ、光 検出器、導波管分岐およびレーザダイオードのような、周知の多数の部品から構 成されている。これらの構成部品は文献中に詳細に記載されている。例えば、１ ９８４年版Ｉ　ＥＥＥスペクトラムの２８−３３ページ、小林および木材による 論文「半導体光増幅器」には、光信号の検出および増幅の両方に用いられる半導 体レーザに関する記載かある。半導体レーザを用いた光信号の干渉性検出につい ては、１９８９年５月１１日のエレクトロニクスレター２５巻ｌＯ号、６８０− ６８２ページに記載のメリスおよびクリーナ（Ｊ。

Ｍｅｌｌｉｓ　ａｎｄ　Ｍ、Ｊ、Ｃｒｅａｎｅｔ）による論文［半導体レーザ増 幅器を位相変調器として用いた５６５Ｍビット／　ｓ　Ｄ　Ｐ　Ｓ　Ｋデータの 干渉性検出」がある。１９８６年１１月２０日におけるエレクトロニクスレター 、２２巻２４号、１３０７−１３０８ページに記載の、つオーレン（Ｍ、　Ｓ、 　Ｗｈ　ａ　１　ｅ　ｎ）等による論文「波長調整か可能なシングルモードファ イバ回折反射装置」中には、互に異なる波長を提供するように調整可能な、ファ ン形状の反射型回折器に関する記載がある。

光学的双方向カップラは、米国特許明細書第４．１５７゜８６０号に記載されて おり、また米国特許第４，８３１゜６３１号には、外部共鳴空洞を含むレーザダ イオードについての記載かある。受動的３−ｄｂカップラと通称される導波管分 岐は、２個の入力用導波管を、２個の出力用導波管に再分岐する共通の導波管に 結合したものとして知られている。一方の入力用導波管中の光波は２個の出力用 導波管中で互に等しい出力に分割される。単結晶半導体材料による導波管は周知 である。

多くの場合、光通信システムにおける端子は、前述の構成部品を複数個含み、さ らにまた別の型の構成部品をも含んでいる。これらの構成部品は、別個のユニッ トからなり、集積化されることによって比較的複雑な端子を形成する。共通の基 板上に光学ユニットを集積して形成することによって、このような端子を単純化 する試みがなされている。このような集積化ユニットの一例が、１９８７年１１ 月発行のアプライド・フィジックス・レターズ５１（２０）、＋５７７−１５７ ９ページに記載の、弁上および辻による論文［モノリシック集積化された分布フ ィードバックレーザによる光学的増幅」中に開示されている。この論文には、Ｄ ＢＦ−レーザ、光スィッチ、および増幅器を含む構成についての記述がある。集 積化ヘテロダイン受信器については、１９８９年１１月２３日発行のエレクトロ ニクス・レターズ２５巻２４号の１６２１−１６２３ページに記載のコツホ（Ｔ 、Ｌ。

Ｋｏｃｈ）等による論文ｒＧａ　ＩｎＡｓ／Ｇａ　ＩｎＡｓＰ多重量子ウェル集 積化ヘテロダイン受信器」において説明されている。この受信器はブラッグ反射 器、導波管、方向切替え器、増幅器および検出器を含んでいる。

この種の集積化ユニットにおける問題点の一つは、各種の構成部品が設計の点で 相互に大きく相違しており、さらに集積化ユニットの製造には別個の製造段階で 別個のマスクが非常に多く必要となることである。その結果、これらのユニット は比較的高価であり、製造の歩留りも低い。すなわち、あまり多くの使用可能な ユニットを得ることかできない、と言うことである。

スエーデン特許出願第８８０３７８０−９号には、−個の単基板上に形成するこ とか可能な比較的簡単な端子が開示されている。この端子は、光波を検出し、増 幅し、送信することができる。しかしながらこの端子の弱点の一つは、多重波長 の光信号を使用する広帯域の光通信システムはこの端子を使用できないことであ る。この種のシステムでは、数個の波長が一個の端子によって同時に扱われる。

例えば、−個の波長を検出し、残りの波長を増幅して前進させる、と言うように 。

発明の開示 本発明では、広帯域光通信システムのための端子に関する前述の問題点を、共通 の半導体基板上に少数の型の構成部品を備える光学的集積回路を用いることによ って解決している。使用される構成部品の主なものは、半導体レーザダイオード 、これらのダイオードのための回折格子、および受動３−ｄｂカップラである。

各部品は導波管を介して相互に接続されており、さらに広波長領域内の多数の光 信号の同時処理が可能なように、本発明の方法によって配置されている。信号処 理には、信号増幅、直接かつ干渉的な検出、および広い波長領域全体のなかの希 望する波長を有し且つ狭い帯域内で振幅変調あるいは位相変調された光信号を送 信することが含まれている。

本発明は、添付の特許請求の範囲の規定によって、特徴付けられるものである。

図面の簡単な説明 本発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

第１図はリング形状の光通信システムの概略を示す図、第２図は本発明の端子を 示す図、 第３区はレーザダイオードおよび接続された制御手段を含むブロック図、 第４図−第８図は図２に示す端子の種々のケースにおける動作を示す図、および 第９図は異なる実施例の端子を示す図である。

好ましい実施例 第１ｆｆｌにリング形状の光通信システムを概略的に示す。

端子１はオプティカルファイバ２によって相互に接続され、各端子はそれぞれに 制御ユニット３を含んでいる。

これらの制御ユニットは、端子１間を転送される光信号Ｐを発生しあるいは登録 するために、端子ｌとの間で電気信号を交換する。この通信システムは、周波数 分割されており、かつライン幅が狭く波長λ１　・・・λ１　・・・λ９である 複数の光信号をこのオプティカルファイバ２を介して転送する。この信号は、全 体で比較的広い波長範囲をカバーする。−例では、波長は約１，５５μｍの範囲 に広かり、波長λ９の数はｌＯであり、各波長チャンネルは１−１０１−１Ｏの 範囲の周波数に相当するライン幅Δλを有している。光学分離器４は端子１間に 配置され、光信号が通信システム内で望ましくない方向に向かうことを防止して いる。

この発明にかかる端子ｌの一実施例を第２図に示す。

半導体基板５は光学導波管６、受動３−ｄｂカップラ７、レーザダイオード８− ２０、ファン形状の回折格子２１および回折格子を備えかつ平行に接続されたレ ーザダイオード２２および２３を支持している。導波管６は基板５の短側面上に 延び、そこでこの通信システムにおけるオプティカルファイバ２のための接続部 ２４および２５を形成している。接続部２４および２５間にレーザダイオード９ を配置した導波管は、接続部２４に入力しかつ接続部２５から送出される光信号 のための送信用導波管を形成する。導波管６は、さらに、基体すなわち基板５の 短側面上に延びる２個の分岐を含み、前記導波管はこれらの分岐に隣接して反射 面２７および２８を有している。

前記２個の接続部２４および２５の反射性能は低く、さらにこの接続部の端面は 傾斜して配置されかつ反・反射皮膜２６によってコーティングされている。２個 の反射面２７および２８はミラー２９と共に配置されるか、あるいは各面を、約 ３０％の反射率を有する、基板５の各結晶臂開面で構成している。レーザダイオ ード８−２０、および２２．２３は、例えば前述の参考文献、１９８４年ＩＥＥ Ｅに於ける「半導体光増幅器」、に示されるダイオードのような、既知の構造の 進行波増幅器である。このレーザダイオードは電気接続部３０を有しておリ、こ れによって第３図を参照して以下に詳細に説明する方法によって制御される。フ ァン形状の回折格子２１は、ダイオード２２および２３にそれぞれ格子定数を設 定する。これらの回折格子は、ダイオードの基本的な波長値を決定するための光 学的フィードバック要素を形成する。これらの波長は、レーザダイオード２２お よび２３の回折格子部分に電流を流すことによって、この基本値の周辺で調整す ることが可能である。その結果、中心周波数λ１を前述の比較的広い波長範囲内 で連続的に選択しかつ狭いライン幅Δλを存する光信号を形成することが可能と なった。この幅の範囲は；回折格子を備えたレーザダイオードを希望する数だけ ダイオード２２および２３と並列に接続することによって、選択することができ る。発生可能な全波長範囲は、レーザダイオードの半導体材料によって決定され 、約５０ｎｍのオーダーである。

序論の部分で述へたように、１個の同じレーザダイオードで、異なる幾つかの機 能を実行することができる。

この事実は第２図に例示されている。この図の説明では、−例として、電気接続 部３０を電源５１および受信器５２に接続したレーザダイオード９を含んでいる 。この電源はレーザダイオード９に、比較的広い範囲から選択された値を有する 電流Ｉを提供する。電流値■が０の時はこのダイオードは入力光信号ＰＩをカッ トする。電流値が第１のしきい値、すなわち増幅しきい値までの場合は、このダ イオードは光源として機能する。このダイオードなる。電流値が上昇して第２の しきい値、すなわちレーザ発振のしきい値に達すると、このダイオードは増幅係 数Ｇの増幅器として機能し、出力光信号ＰＵ＝ＧｘＰ　１が得られる。電流強度 がさらに上昇すると、ダイオード９はレーザとして機能するようになる。増幅し きい値とレーザ発振しきい値との間の増幅モードにおいて、このダイオードは入 力光信号ＰＩを検出するためにも使用される。信号の光強度における変動は電荷 キャリア濃度の変動をもたらし、この変動によりダイオード９の遷移電圧におけ る変動が引き起される。この電圧変動は受信器５２によって検出され、受信機５ ２は光信号ＰＩに相当する信号Ｕを送出する。電流Ｉ＝０でかつダイオードが逆 バイアスされている場合、ダイオード９はこの時点で光信号ＰＩを検出すること ができる。入力光信号ＰＩはこれにより強く吸収され、その結果ダイオード中に 電子−正孔対を形成する。ダイオードの両端に電圧変動が生じ、この変動は受信 器５２によって検出される。このダイオードは逆バイアスされた状聾では、非常 に高速の光検出器として機能し、同じダイオードが増幅モードにある場合に登録 するよりも遥かに高いパルス周波数を登録することができる。

この発明の端子１の使用例を、第４図乃至８図を参照して、以下に説明する。

例１．　増幅器および検出器、第４図。

レーザダイオード８．９およびｌＯは、接続部３０における記号（＋）で示すよ うに、増幅する。レーザダイオード１２は記号（−）で示すように逆バイアスさ れており、反対に残りのレーザダイオードは全てバイアスされていない。接続部 ２４に到達した波長λ１−λ、の光信号Ｐ２はレーザダイオード８．９およびｌ Ｏによって増幅され、接続部２５に送信される。上流のダイオード１２で分岐す る光信号の一部分はレーザダイオード１７および１８に達しそこで消滅する。若 し光信号Ｐ２か１個の波長λ、のみを含んでいる場合は、この光信号のパルスは 逆バイアスされたレーザダイオード１２中で、高いパルス周波数まで検出される 。この場合同様に光信号Ｐ２を増幅用レーザダイオード８．９あるいはｌＯの内 の１個によって検出することができる。

例２．　広い同調領域を持つ狭帯域光源、第５図。

レーザダイオード１Ｏ１１１，１３，１４，１５および１６は順方向にバイアス されており、図中記号（＋）で示すように、前述と同様、増幅している。レーザ ダイオード２３も同様にレーザ範囲内で順方向にバイアスされており、かつ残り のレーザダイオードは全くバイアスされていない、すなわちバイアスを形成しな い。レーザダイオード２３は波長λ、の光を送出し、この波長値は前述したよう に主に回折格子２１によって決定される。

レーザダイオード２３は外部空洞を有し、この空洞はミラー２９間にダイオード ！■、１３．１４および１６を存する導波管６を含んでいる。レーザダイオード ２３からの光はこの空洞内のミラー間で反射され後進しかつ前進し、ダイオード ２３中で増幅される以外に、ダイオード１１Ｓ　１３．１４および１６において 同様に増幅される。光エネルギーの一部分はレーザダイオード１５を存する接続 用導波管を通り、レーザダイオードｌＯを介して分岐され、接続部２５によって 狭帯域の光信号Ｐ３の形で送出される。空洞内の光エネルギーの他の一部分は、 右手ミラー２９によって図の左側へ反射され、レーザダイオード１９および２０ と、レーザダイオード１２を有する接続用導波管へ分岐される。レーザダイオー ド１９．２０および１２は光エネルギーの分岐部分を消滅させる。

レーザダイオード２２あるいは２３のいずれかを選択して電流を供給することに よって、光の波長を選択することができる。光信号Ｐ３は例えば、ダイオードＩ Ｏへの電流Ｉを変調することによって、変調することが可能である。

例３．　波長選択可能な光学増幅器、第６図。

レーザダイオード８．１Ｏ１１２および１５は、接続部２４に入力する光信号Ｐ ４に対して透明となるように、バイアスされている。前記外部空洞内のミラー２ ９間におけるダイオード１１．１３．１４および１６は順方向にバイアスされ、 そして空洞内に希望する大きさの増幅を提供する。レーザダイオード２２は吸収 し、一方レーザダイオード２３は増幅しさらに入力光信号Ｐ４中に含まれる波長 λ１の光を増幅する。波長λ１の光のみが空洞内で増幅される。これはダイオー ド２３および回折格子２１がこの周波数周辺で同調するためである。ダイオード から自然に発光する光の波長を含む他の波長は空洞内で消滅する。波長λ１を存 する増幅された光信号Ｐ５は端子ｌの２個の接続部２４および２５から送出され 、しかし接続部２４から後方に向かう光信号は光学分離器内で消滅するか、これ は図示していない。光信号Ｐ４中の２個の波長の光が、レーザダイオード２２を その増幅モードにまでバイアスすることによって、増幅される。

ダイオード１７−２０へ分岐した光はこれらのダイオード中で消滅する。

例４　波長選択検出器、第６図。

第６図に示すように、レーザダイオード９はその増幅モードに切り換えられ、レ ーザダイオード１５は逆バイアスされ、さらに残りのダイオードは第３図に示す 状態から変化しない。光信号Ｐ４中の全ての波長は、レーザダイオード８．９お よびＩＯ中で増幅され、接続部２５から送出される。光信号Ｐ４中の一部の光エ ネルギーは、ミラー２９間の空洞中に分岐する。例３を参照しながら説明したよ うに、Ｐ４中の波長における望ましい波長か空洞中で増幅される。この増幅され た波長の光信号は、逆バイアスされたレーザダイオード１５中で検出される。

レーザダイオ−１・２２および２３のとちらを増幅するかを選択することによっ て、検出される波長が選択される。

例５．　干渉性受信器、第７図。

レーザダイオード８．１１，１３．１４および１６は順方向にバイアスされ増幅 する。ミラー２９間の外部空洞内のダイオード２３も同様に順方向にバイアスさ れ、さらに光を送信し、さらにダイオード２２は吸収する。

この２個のレーザダイオード１７および１８は逆方向にバイアスされ、光検出器 として機能する。ダイオード１２および１５を逆バイアスすることによって、伝 送ラインからこの空洞を効果的に分離し、一方、端子１の残りのレーザダイオー ドは吸収する。干渉光信号Ｐ６は接続部２４に到達する。この信号は波長λ１を 存し、位相変調の形で情報を伝達する。ダイオード２３および回折格子２１は空 洞内で、波長λ１の光信号を生成する機能を有する。光の一部は空洞から分岐し 、ダイオード１９および２０内で吸収される。十分に定義されかつ一定の波長λ 、を存する光か空洞からレーザダイオード１７および１８へ分岐し、光信号Ｐ６ と干渉する。レーザダイオード１７および１８中で、光信号Ｐ６中の位相情報を 与える差動信号が検出される。

例６．　位相変調、第８図 外部空洞内のミラー２９間に存在するダイオード１１．１３．１４および１６は 増幅を行う。ダイオード２２は吸収し、ダイオード２３は回折格子２１と共に波 長λ１の光を送出する。ダイオード１２は、空洞を接続部２４から分離するため に逆バイアスされている。ダイオードｌＯあるいは１５への電流Ｉは図に記号（ Ｍ）で示すように変調される。端子１の残りのダイオードは吸収機能を実行する 。十分に定義された波長λ、を有する光信号か空洞内で生成され、接続部２５に 分岐される。分岐した光信号はダイオード１５およびｉｏを通過し、この２個の ダイオードのいずれかによって位相変調され、位相変調干渉光信号Ｐ７となる。

この端子１を使用した実験では、前記変調過程で１０ｍＡの変調電流を使用した か、理論的にはＩｍＡの電流で十分である。

この発明にかかる端子１は、前記例１から例６に記載する以上のより多くの方法 で利用される。例えば、光信号は接続部２４において受信され、増幅され、位相 変調された光信号Ｐ７の生成と同時に接続部２５を介して伝送される。図示の実 施例において、この端子は対称であり、第１図に示す通信システムのファイバ２ 中で両方向に進行する光信号に対して使用される。

以下に第９図を参照して、異なる実施例の端子に付いて簡単に説明する。この図 は基板３８上の端子３１を示している。端子３１のある部分は、端子１と同様に 設計されている。レーザダイオード９を有する接続部２４および２５間の伝送ラ インは端子１のものと同じ設計であり、レーザダイオード１７−２０を有する干 渉性受信器である。端子３Ｉは、レーザダイオード３３−３６か基板３８の短側 面上に配置されていると言う点て、端子１と異なっている。ダイオード３３−３ ６は１個の共通のファン形状の格子２７を存し、光学導波管の樹木状の分岐を介 してして端子の残りの部分に接続されている。各レーザダイオード３３−３６は ミラー３９を有し、このミラー２９は基板の別の短側面上に配置されたミラー４ ０と共に、各ダイオードに対する外部空洞を規定する。

空洞の両端を接続する導波管中のレーザダイオード３２はこの空洞中で増幅器を 構成する。第９図に示す実施例は、空間の節約と言う効果を有しているが、他の 中でも特に、接続部２４上の空洞に到達する光波か波長フィルタ回折格子３７を 通過せずに、偶然に接続部２５に達してしまうことがある、と言う欠点を有して いる。その結果、この光波中の全波長か伝送されてしまうしまう、と言う望まし くない事態を引き起こす。なお、第２図に示す実施例では、このような望ましく ない伝送は、効果的に防止されている。

本発明の端子は、数個の構成部品をのみ必要とすると言う効果を有しており、こ れによってこの端子の製造工程を単純化することが出来る。この端子は、通信ネ ットワークに必要な多くの機能を実行することかでき、また別の機能も電流を切 り換える事によって達成することができる。この端子中の光信号処理によって、 この端子が接続されている光ネツトワーク上の信号伝送が妨害されることはない 。

国際調査報告 ｌ＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ｌ　Ａ＊ａｌｌｅ＊１ｌｅｅ　１１゜ρＣＴ／ＳＥ　９ ２１００１６５国際調査報告 ＰＣＴ／ＳＥ　９２１００１６５ フロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，５識別記号庁内整理番号ＨＯＩＳ　３／１０　Ｚ　 ８９３４−４Ｍ３／１８　９１７０−４Ｍ Ｈ０４Ｂ　１０１０２ ＨＯ４Ｊ　１４１０２ Ｉ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．切替え可能なレーザダイオード（８−２０）、分岐（７）を有する光学導波 管（６）、ミラー（２９）および回折格子（２１）を含む端子（１）であって、 該端子は、 通信システムのための少なくとも２個の接続部（２４、２５）と、 前記２個の接続部（２４、２５）間に延び、かつ少なくとも１個のレーザダイオ ード（９）を有する、送信用導波管と、 少なくとも２個の反射性（２９）端面（２７、２８）を有する導波管（６）とし て形成された拡大光学空洞であって、この空洞は、波長回折格子（２１）を備え る少なくとも１個のレーザダイオード（２２、２３）を有し、このレーザダイオ ードの波長は回折格子波長（λ１）の付近で同調可能とされており、さらに少な くとも１個の接続部（２４、２５）を前記空洞に接続するために前記一方のレー ザダイオード（１２、１５）を備える少なくとも１個の接続用導波管を有するも のと、および光信号（Ｐ６）の位相補正検出のための干渉性光検出器であって、 この検出器は前記空洞と一方の接続部（２４）とに接続され、かつ入力光信号（ Ｐ６）を空洞内で生成された所定の波長の光波と比較するための少なくとも一個 のレーザダイオード（１７、１８）を有するもの、を含み、 基板（５）上のレーザダイオード（８−２０、２２、２３）は制御信号（１）の 支援によって、光吸収、光増幅、および光伝送モード間で切替え可能であること を特徴とする、共通の半導体基板（５）上の集積光学体中に形成された、周波数 分割光通信システムのための端子（１）。
2. ２．前記空洞は波長回折格子（２１）を備えた少なくとも２個のレーザダイオー ド（２２、２３）を有し、この波長回折格子は異なる格子定数を有し、さらにレ ーザダイオード（２２、２３）は相互に平行に接続されていることを特徴とする 、請求項１に記載の端子。
3. ３．前記空洞は２個の独立した接続用導波管によって端子（１）の両接続部（２ ４、２５）に接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の端子 。