JPH11223802A

JPH11223802A - 光変調素子駆動回路および光伝送装置

Info

Publication number: JPH11223802A
Application number: JP2535498A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Matsudaira; 信洋松平; Yoshifumi Doi; 吉文土井; Katsuyoshi Harasawa; 克嘉原沢; Hideyuki Serizawa; 秀幸芹沢; Tatsuya Koketsu; 達也纐纈
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Communication Systems Inc
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Information Technology Co Ltd
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 1999-08-17

Abstract

(57)【要約】半導体レーザー及び半導体光変調器を駆動して光信号を
出射させる駆動回路において、前記光信号の波形を調整
して伝送特性を向上させる波形調整回路を有する光変調
素子駆動回路。【課題】 Gbit/sを越える伝送速度において、低チャー
プな光変調信号を生成することにより低コスト・長距離
伝送システムを構築できる光変調素子駆動回路を提供す
る。【解決手段】差動増幅回路16とインピーダンス整合素
子4,5と駆動振幅調整電流源10と電源11を有し、入力端
子8,9と差動増幅器16との間に波形整形回路6を接続する
ことにより、光変調素子14の駆動波形を調整し、最適且
つ高速な光出力波形を得ることができる光変調素子駆動
回路を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、通信及び民生機器
に使用される光変調素子駆動回路に係り、特に集積回路
化に好適な光変調素子駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザーの出射光を強度変調し
て、光ファイバによって伝送する光通信システムにおい
て、伝送速度Gbit/s帯での超高速動作を可能にし、かつ
無中継で伝送可能な距離を延ばすために受信感度の高感
度化が求められている。

【０００３】光ファイバで伝送中の光信号は、ファイバ
特有の分散特性により信号波形劣化が信号間の干渉や識
別レベル変動等を引き起こし、それが受信感度劣化の大
きな原因となっている。

【０００４】従来、このような受信感度の劣化を低減す
るために、狭スペクトル線幅の半導体レーザーや狭スペ
クトル線幅での変調が可能な半導体光変調器、単一モー
ド性の優れたファイバ等が使用されるとともに、伝送距
離を延ばすためにファイバ増幅器を用いたシステムも実
用化されている。

【０００５】また、特開平5-327617号公報によれば、光
変調素子と駆動回路間のインピーダンスを整合させイン
ピーダンス不整合によるジッタを低減させたり立ち下が
り時間を高速化するなど、伝送品質を向上させようとす
る提案がなされている。

【０００６】さらには、近年低波長変動(チャープ)な強
度変調が可能な変調器集積化半導体レーザーが開発さ
れ、急速に実用化されている。

【０００７】しかしながら、現在主流であるEA(Electro
Absorption)変調器では、駆動信号レベル変動によりキ
ャリアの蓄積によるプラズマ効果が原因と考えられるα
パラメータの増大がチャーピングを増大させていると19
96年電子情報通信学会総合大会C-274にて報告されてい
る。この報告では、変調器と駆動回路間に電流引き抜き
回路を付加することによりレベル変動を調整しチャーピ
ングを抑圧しているが、この方式では10Gbit/sでの動作
を考えた場合、インピーダンス不整合による波形劣化が
発生することは避けられない。

【０００８】図2に、従来の一般的な光変調素子駆動回
路の構成を示す。従来、1996年電子情報通信学会エレク
トロニクスソサイエティ大会C-438の報告のように、駆
動回路の出力電圧振幅調整で光波形の最適化を行ってい
た。図3のような消光特性を有する光変調素子14の場
合、光変調素子駆動波形bの駆動振幅を増やしてやれば
消光特性が改善でき、伝送品質の向上が実現できる。し
かしながら、光変調素子駆動波形bのクロスポイントを5
0%のまま駆動振幅を増やすと、光出力波形はcのように
クロスポイントが光出力波形の下側にシフトしてしま
う。このような光信号を光ファイバ伝送路を介して伝送
した場合、光受信器で設定している識別点からずれたと
ころに光波形の識別点が来てしまい、誤り率特性の劣化
や受信感度劣化等を引き起こしてしまう。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的
は、例えばGbit/sを越える伝送速度、かつ、一般的なフ
ァイバ(波長分散が約18ps/km)においても、低い符号誤
り率で伝送可能な光信号を得ることの出来る光変調素子
駆動回路を提供することにある。

【００１０】本発明の第2の目的は、誤り率の低い光変
調素子駆動回路を搭載した光伝送装置を提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は半導体レーザーや半導体光変調器などの光
変調素子を駆動する駆動回路に、光出力波形のクロスポ
イントを最適な状態に設定できる調整回路を付加した。

【００１２】この調整回路により、消光比を確保する為
に駆動振幅を増加させても図4のようにクロスポイント
を受信感度が最も良くなるように調整できるため、伝送
品質の向上が図れる。

【００１３】さらにある消光比以下では、電気変調信号
がリミットされるように作用するため、立上がり立ち下
がり時間の実効時間が短縮され、より光変調波形の高速
化が実現できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面を用いて説
明する。

【００１５】本発明の第1の実施例の光変調素子駆動回
路1は、10Gbit/sの高速伝送に対応可能な駆動回路であ
る。本実施例の光変調素子駆動回路1は、図１のように
エミッタ接続されたトランジスタ2,3で構成された差動
増幅器16と、インピーダンス整合素子4,5と、駆動振幅
を調整する電流源10と、電源11をそなえている。これら
の部分は、光変調素子駆動部24と呼ばれている。光変調
素子駆動回路1は、インピーダンス整合回路12を介し
て、光変調素子14とインピーダンス整合素子13と光結合
レンズ系27と光ファイバ28で構成される光変調素子モジ
ュール15に電流及び駆動電圧を供給する。マーク率変動
に対応するため、直流接続されている。

【００１６】光変調素子駆動回路1は、電気信号を光信
号に変換して光ファイバ伝送路に光信号を送出する光送
信器に搭載される。光変調素子駆動回路1の入力端子8,9
に入力された10Gbit/sの電気信号は、光変調素子14を駆
動するのに必要な電気信号に増幅・波形整形されインピ
ーダンス整合回路12を介して光変調素子モジュール15に
入力される。本実施例における光変調素子14は、半導体
レーザーと光外部変調器を同一チップに集積化してい
る。半導体レーザーを一定のパワーで発光させておき、
その光を光外部変調器に入射し、光変調素子駆動回路1
からの電気信号によって10Gbit/sで変調された光信号を
光結合レンズ系27を介して光ファイバ28に送出する。

【００１７】図4は、本実施例における光変調素子モジ
ュール15の入力信号と出力信号の関係を示したものであ
る。図4の様な消光特性を有する光変調素子モジュール1
5に、クロスポイントをずらしたマーク率が50%のNRZ(No
n Return to Zero)疑似ランダムパターン信号である光
変調素子駆動波形bを図1の光変調素子駆動回路1より入
力することにより、光出力波形cのクロスポイントを信
号振幅の中心にすることが可能である。

【００１８】光変調素子駆動波形bを実現するために、
図1の光変調素子駆動回路1にクロスポイントを調整する
ための波形調整回路6,7を、差動増幅回路16の入力部分
に接続した。

【００１９】図1のように、入力端子8,9の両相に波形調
整回路6,7を接続し、各々を調整する。なお、ここで入
力端子8または9のどちらかに波形調整回路6または7を接
続し、片方のみを調整しても良い。

【００２０】波形調整回路6または7は、図5のように差
動増幅器16への入力信号にオフセットを発生させる機能
を提供し、出力である光変調素子駆動信号波形dのクロ
スポイントを調整できる。図5は、差動増幅器16の入出
力特性を示しており。実線が入力aと出力dとの関係、点
線が入力a'と出力dとの関係である。入力aと入力a'のよ
うにオフセットを有する信号を差動増幅器16に入力する
と、dのようなクロスポイントの可変が可能となる。

【００２１】図1の波形調整回路6,7を実現するための回
路例を図6に示す。図6はいわゆるエミッタフォロワと呼
ばれている回路で、トランジスタ2で低インピーダンス
回路からの信号を受け、波形調整回路出力端子17より高
インピーダンス回路へ信号を伝達している。差動増幅器
間を接続する回路として、一般的である。

【００２２】低インピーダンス回路の出力と高インピー
ダンス回路の入力間には、電圧レベルに相違があるた
め、レベル調整用ダイオード18を付加する場合もある。
このレベル調整用ダイオード18は、流れる電流によりド
ロップ電圧が変化する。そこで、レベル調整用電流源19
をレベル調整端子20で調節することによりレベル調整用
ダイオード18に流れる電流を調整して、波形調整回路出
力端子17の出力電圧レベルを調整する。この回路では、
出力電圧を約0.3Vの範囲内で可変可能である。

【００２３】図7は、電解効果トランジスタ21を利用し
た場合の回路例である。レベル調整用電流源19をレベル
調整端子20で調節することにより電解効果トランジスタ
21に流れる電流を調整してそのゲート・ソース間電圧
(Ｖgs)を調整し波形調整回路出力端子17の出力電圧レベ
ルを調整する。この回路では、出力電圧を約0.5Vの範囲
内で可変可能である。

【００２４】図8は、電解効果トランジスタ21とレベル
調整用ダイオード18を組み合わせた場合の回路例であ
る。ゲート・ソース間電圧(Ｖgs)の調整範囲にダイオー
ドのレベルシフト調整範囲も加わるため、より幅の広い
調整が可能となる。この回路では、出力電圧を約0.8Vの
範囲内で可変可能である。

【００２５】図9は、抵抗を用いた回路例である。トラ
ンジスタ21は、特に電解効果トランジスタでなくてもよ
い。電流の変化量が直接レベル調整に反映されるため、
出力電圧を約0.8V以上可変可能である。

【００２６】光変調素子駆動回路1の第2の実施例を図10
に示す。図10は、図1の入力端子８，９の次段に、差動
増幅器２段で構成された波形整形部22を付加した回路で
ある。光変調素子駆動回路1が出力端子25より出力する
信号は、出力信号振幅が1.5Vpp以上の大信号振幅であ
る。しかしながら、入力端子8,9に入力される電気信号
は、最小時に0.4Vppである。0.4Vppの信号を1.5Vppまで
光変調素子駆動部24のみで増幅すると周波数特性及び帯
域を著しく劣化させてしまい、Gbit/s動作は不可能であ
る。そこで、増幅器を多段接続することにより信号振幅
を徐々に増幅し、帯域劣化を低減させている。この波形
整形部22は、差動増幅器1段でもよい。また、差動増幅
器3段以上で構成しても良い。

【００２７】光変調素子駆動回路1の第3の実施例を図11
に示す。図11は、波形整形部22を構成する差動増幅器23
の段間に波形調整回路6,7を設置した例である。波形調
整回路6,7と光変調素子駆動部24との間に増幅器が入る
ことにより、波形調整回路6,7でのオフセット電圧がそ
の増幅器で拡大され、クロスポイント調整範囲を広げる
ことが可能である。

【００２８】図12は、本発明の第2の効果である光出力
波形cの立ち上がり,立ち下がり時間の短縮を示したもの
である。光変調素子モジュール15はその消光特性によ
り、入力信号bの消光側をリミットした光出力信号cを出
力する。光変調素子モジュール15の帯域が十分あった場
合、入力信号bを消光側に大きく振り込むことにより、
光出力信号cは入力信号bより高速な立ち上がり,立ち下
がり時間を得ることが出来る。図12のように、振幅の半
分を消光領域に振り込んだ入力信号bの10〜90%における
立ち上がり時間又は立ち下がり時間(tr1)が50psである
と、光出力波形cの10〜90%における立ち上がり時間又は
立ち下がり時間(tr2)は、30ps以下と高速化される。本
発明のクロスポイント調整機能を利用することにより、
入力信号bを消光側に大きく振り込むことが可能とな
る。

【００２９】次に、実施例4として本発明を半導体レー
ザーを直接変調する光送信モジュール29に適用した場合
について説明する。図14が従来の光送信モジュール29で
あり、光変調素子駆動回路1と光変調素子モジュール15
と半導体レーザーに閾電流(Ith)を供給するための閾電
流供給回路30で構成される。図15に半導体レーザーの発
光特性を示す。半導体レーザーは約20mAの電流で発光を
始める。この電流値が閾電流値(Ith0)と呼ばれ、従来は
この閾電流値の約90%の閾電流(Ith)を閾電流供給回路30
より供給し、その閾電流(Ith)に半導体レーザーの変調
電流(Impp)を重畳していた。本発明を光送信モジュール
29に適用すると、図13のように閾電流供給回路30が不要
となる。これは、図12の消光領域を閾電流(Ith)に置き
換えることが出来るからである。

【００３０】

【発明の効果】本発明により、適用する光伝送システ
ムに最適な光出力波形を生成することができ、伝送品質
の向上が見込まれる。また、信号波形の立ち上がり・立
ち下がり時間を低減する手段も得られ、10Gbit/sを越え
る伝送速度を光変調素子と共に実現することができる。
また、2.4Gbit/sなどの10Gbit/s以下でのシステムに適
用する場合、光変調素子駆動回路1に立ち上がり,立ち下
がり時間の遅い安価なデバイスを用いることが出来るた
め、低コスト化が図れる。さらに、光変調を外部変調で
はなく半導体レーザーを直接変調するシステムでは、閾
電流供給回路30が不要となるため、光送信モジュール29
の特性安定化及び低コスト化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の第1の実施例の光変調素子駆動回路の構
成を示すブロック図。

【図2】従来の光変調素子駆動回路の構成を示すブロッ
ク図。

【図3】従来の光変調素子駆動波形と光出力波形との関
係を示す図。

【図4】本発明によるクロスポイント調整が、光出力波
形のクロスポイントを中心に制御できることを示す概念
図。

【図5】クロスポイント調整を実現するための概念図。

【図6】本発明で付加した波形調整回路を構成する回路
図の一例。

【図7】本発明で付加した波形調整回路を構成する回路
図の一例。

【図8】本発明で付加した波形調整回路を構成する回路
図の一例。

【図9】本発明で付加した波形調整回路を構成する回路
図の一例。

【図10】本発明の第2の実施例の光変調素子駆動回路の
構成を示すブロック図。

【図11】本発明の第3の実施例の光変調素子駆動回路の
構成を示すブロック図。

【図12】本発明の第2の効果である、立ち上がり,立ち下
がり時間の高速化を実現する概念図。

【図13】本発明を光送信モジュールに適用した場合のブ
ロック図。

【図14】従来の光送信モジュールの構成を示すブロック
図。

【図15】半導体レーザーの発光特性を示すグラフ。

【符号の説明】

1・・・光変調素子駆動回路、2・・・トランジスタ、3・・・トラ
ンジスタ、4・・・インピーダンス整合素子、5・・・インピー
ダンス整合素子、6・・・波形調整回路、7・・・・波形調整回
路、8・・・入力端子、9・・・入力端子、10・・・駆動振幅調整
電流源、11・・・電源、12・・・インピーダンス整合回路、13
・・・インピーダンス整合素子、14・・・光変調素子、15・・・
光変調素子モジュール、16・・・差動増幅回路、17・・・波形
調整回路出力端子、18・・・レベル調整用ダイオード、19・
・・レベル調整用電流源、20・・・レベル調整端子、21・・・電
界効果トランジスタ、22・・・波形整形部、23・・・差動増幅
器、24・・・光変調素子駆動部、25・・・出力端子、26・・・抵
抗、27・・・光結合レンズ系、28・・・光ファイバ、29・・・光
送信モジュール、30・・・閾電流供給回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原沢克嘉神奈川県横浜市戸塚区戸塚町180 日立通信システム株式会社内 (72)発明者芹沢秀幸神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所情報通信事業部内 (72)発明者纐纈達也東京都青梅区今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザー及び半導体光変調器を駆動
して光信号を出射させる駆動回路において、前記光信号
の波形を調整して伝送特性を向上させる波形調整回路を
有する光変調素子駆動回路。
【請求項２】請求項１において、前記波形調整回路は差
動増幅器に入力される入力レベルにオフセットを与える
手段を含むことを特徴とする光変調素子駆動回路。
【請求項３】請求項２において、差動増幅器の入力にオ
フセットを与える手段として、電界効果トランジスタの
ゲート・ソース間電圧の電流依存性を利用した光変調素
子駆動回路。
【請求項４】請求項２において、差動増幅器の入力にオ
フセットを与える手段として、ダイオードの接合電圧の
電流依存性を利用した光変調素子駆動回路。
【請求項５】請求項２または３または４において、前記
波形調整回路として低インピーダンス出力回路と高イン
ピーダンス入力回路とを接続するマッチング回路に波形
調整機能を持たせたことを特徴とする光変調素子駆動回
路。
【請求項６】請求項１において、前記駆動回路は光信号
の立ち上がり及び立ち下がりの交差するポイントを調整
することを特徴とする光変調素子駆動回路。
【請求項７】請求項５において、外部より印加の直流電
圧を調整することにより波形調整が出来ることを特徴と
する光変調素子駆動回路。
【請求項８】請求項６において、光信号の立ち上がり及
び立ち下がりの交差するポイントを調整する回路を付加
することにより、光信号の立ち上がり及び立ち下がり時
間を短縮することを可能とすることを特徴とする光変調
素子駆動回路。
【請求項９】入力信号に対応して光変調素子を駆動する
ための光変調素子駆動信号を発生し、前記光変調素子か
ら光信号を出射させる光変調素子駆動回路において、前
記光変調素子駆動回路は、前記光信号の波形を調整する
ための波形調整手段を含んでなることを特徴とする光変
調素子駆動回路。
【請求項１０】位相の異なる２つの入力信号に対応して
光変調素子を駆動する光変調素子駆動信号を発生し、前
記光変調素子から光信号を出射させる光変調素子駆動回
路において、前記光変調素子駆動回路は、前記光変調素
子に接続される２つのトランジスタ素子を含む差動増幅
回路と、該差動増幅回路に接続された電流源と、前記差
動増幅回路の入力段に接続され、前記差動増幅回路に入
力される前記入力信号の一方又は両方のレベルにオフセ
ットを与える回路手段とからなることを特徴とする光変
調素子駆動回路。
【請求項１１】前記回路手段が、前記入力信号を受ける
トランジスタと、該トランジスタの出力電極と前記差動
増幅回路の入力段との間に設けられた入力信号レベル調
整用ダイオードからなり、前記ダイオードの接合電圧の
電流依存性を利用して、前記入力信号のレベルにオフセ
ットを与えてなることを特徴とする請求項１０記載の光
変調素子駆動回路。
【請求項１２】前記回路手段が、前記入力信号を受ける
電界効果トランジスタからなり、該トランジスタのゲー
ト・ソース間電圧の電流依存性を利用して、前記入力信
号のレベルにオフセットを与えてなることを特徴とする
請求項１０記載の光変調素子駆動回路。
【請求項１３】前記回路手段が、前記差動増幅回路側の
高インピーダンス入力回路と前記入力信号側の低インピ
ーダンス出力回路とを接続するマッチング回路を利用し
て、前記入力信号のレベルにオフセットを与えてなるこ
とを特徴とする請求項１０記載の光変調素子駆動回路。
【請求項１４】前記回路手段は、更に前記ダイオードの
レベル調整用電流源を調整し、前記入力信号のレベルシ
フト量を可変する手段を含んでいる請求項11記載の光変
調素子駆動回路。
【請求項１５】前記回路手段は、更に前記トランジスタ
のレベル調整用電流源を調整し、前記入力信号のレベル
シフト量を可変する手段を含んでいる請求項12記載の光
変調素子駆動回路。
【請求項１６】光ファイバと、光変調器を含み前記光フ
ァイバに変調された光信号を出射する光変調器モジュー
ルと、該光変調器モジュールの光変調器に結合され、入
力信号に対応する前記変調器を駆動するための光変調器
駆動信号を出力する光変調素器駆動回路を備えた光伝送
装置において、前記光変調器駆動回路は、前記光変調器
モジュールに結合された光変調器駆動手段と、前記入力
信号にオフセットを与えて前記光変調器駆動回路を駆動
し、該駆動回路の出力信号に対応して前記光変調器モジ
ュールから出射する前記光信号の波形を調整する波形調
整手段とからなることを特徴とする光伝送装置。
【請求項１７】前記光変調器駆動手段が、駆動振幅調整
電流源と、該電流源と前記光変調器モジュールとの間に
接続された差動増幅回路とからなり、前記波形調整手段
が、前記入力信号を受け前記差動増幅回路の入力段にク
ロスポイントの異なる差動入力信号を供給する波形調整
回路からなることを特徴とする請求項１６記載の光伝送
装置。
【請求項１８】前記光変調器駆動回路は、前記波形調整
手段の前段に前記入力信号の波形を整形する波形整形回
路を更に設けであることを特徴とする請求項１６記載の
光伝送装置。
【請求項１９】前記波形整形回路は、２段の差動増幅器
からなり、該２段の差動増幅器との間に前記波形調整手
段が配置されてなることを特徴とする請求項１６記載の
光伝送装置。