JPH11501456A - データ変調レーザの波長制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光通信源は、外部光変調器に光学的に結合されたレーザを有している。このレーザは、長い光学的な空洞と狭スペクトル帯域幅のブラッグ反射器を有しているため、レーザ発光の縦モード分割は、この反射器のスペクトル帯域幅に比べて小さい。これにより、このレーザはマルチモードで動作するが、大きな分散という不利益はない。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 データ変調レーザの波長制御発明の背景 光通信においては、光送信機の発光波長を厳密に制御することが望ましい。こ のことは、特に波長分割多重送信（ＷＤＭ）システムの場合に言えることである 。このようなシステムにおいて、厳密に波長制御することにより、隣接チャンネ ル間での波長間隔を小さくすることができる。従って、例えば、エルビウムがド ーピングされた光ファイバ増幅器の特定の波長帯において、より多くのチャンネ ルを収容できるようになる。 ある程度の高帯域幅を有するＷＤＭシステムにおいて、現在、送信機に対して 好んで用いられる技術は、連続波外部変調分配フィードバック（ＤＦＢ）半導体 レーザである。ＤＦＢレーザは、単純なファブリ・ペロ半導体レーザよりも、か なり良好な安定性を提供する。しかし、すべてのレーザ・チップが名目的に同じ であるといっても、通常は、レーザ・チップによって発光波長が変化する。これ は、以下の理由による。すなわち、ＤＦＢレーザの回折格子の物理的ピッチに対 して、比較的厳しい許容誤差を得ることができても、発光波長は、この物理的ピ ッチと有効屈折率との積によって決まり、この有効屈折率の値は、そのレーザ・ チップの層構造の厚みと組成だけでなく、キャリア集中率にも、かなりの重要さ をもって左右されるからである。このキャリア集中率は、駆動電流、温度、そし て、電気‐光変換効率を減少させる経年作用に影響される。 ＤＦＢレーザにおいて、波長の選択性は、ブラッグ回折格子の構造によって与 えられるが、上述のように、このような回折格子によってもたらされる波長制御 は、有効屈折率が変化する複合物質中に形成されるため、複雑になる。何年もの 間、研究者たちは、レーザの光学的な空洞の一端を形成する反射器を、半導体物 質の外部に有する半導体レーザを扱ってきた。この光学的な空洞の長さを増加す ることは、縦モードが、それに対応して減らされた波長間隔にあることを意味し 、従って、非常に狭い帯域幅の単モード動作が見込まれることになる。都合の良 いことに、このような外部反射器は、それ自体がスペクトル選択的である。これ は、例えば、特定長の単モード光ファイバ中にブラッグ回折格子を用いて構成す ることができる。このような構成は、例を挙げると、米国特許第４７８６１３２ 号に開示されている。この例では、２次的な影響を無視して、ブラッグ回折格子 によって「見られる」有効屈折率は一定であり、そのような反射器のスペクトル 反射特性を安定かつ明確にできる。 外部にブラッグ回折格子反射器を有する半導体レーザは、光学的な空洞の自由 空間等価長において適切な安定性を与える、制御された状況下で、狭帯域単モー ド動作を行うために実験用として用いられてきた。しかしながら、この等価自由 空間長がずれることになれば、そのモードの波長もずれて、等価自由空間長を一 定の半整数波長に保とうとする。このずれが、さらに進展することになれば、こ のモードが、ブラッグ反射器のスペクトル反射率特性中のピークからかなり離れ るほどの波長変化が起きてしまう。それは、そのモードの位置が、前のモードに よって空きとなった波長範囲に移動する隣接縦モードによって占領されるからで ある。同じ方向へのずれが続くと、最終的には、この隣接モードがそれに隣接す る縦モードによって補なわれる等のことが起こる。 ひとつの縦モードが、それに続くモードと置き替わるということは、波長の急 激な変化を伴うものであり、また、２つのモードが共存してビートを起こす期間 をも伴うことになる。このようなことが影響して、実際の伝送システムにおいて は許されない大きな誤りバーストを起こす危険性がある。このような状況におい て、通常、顧客が求めるのは、１０^-12から１０^-18の間の誤り率（ＢＥＲ）であ り、後者の場合、１０Ｇｂｉｔ／ｓのシステムについて、３年に１００ピコ秒以 下の一様な誤りに相当する。 実際の伝送システムの環境において、上記空洞の等価自由空間長における変化 をなくすことは、ほとんど不可能である。それは、このような変化が、熱膨張、 機械的なストレス、そして、利得提供媒体の有効屈折率の変化によって引き起こ されるからである。外部ブラッグ反射器を有する半導体レーザの場合、この利得 媒体はレーザチップであるが、少なくとも原理的には、この利得媒体というのは 、エルビウムがドーピングされた特定長の光ファイバといった、その他の形態を とることも可能である。理論的には、ある形態のフィードバック制御手段を用い て、これらの影響を補償し、等価自由空間長を一定値に保つことも可能である。 しかし、高信頼性トラヒックを扱う伝送システムにおいて、このようなフィード バック・システムを実際に動作させた者はいない、とされている。 上記の分析において、モード・ホッピングによって生じるノイズの問題は、Ｗ ＤＭ伝送システムという観点において考慮されていた。このＷＤＭ伝送システム では、隣接チャンネル間で最小の波長分離を得るために、狭帯域幅の送信機が必 要とされる。しかし、この問題は、波長分割多重化システム特有の問題ではなく 、狭帯域送信機の問題であり、このような送信機はまた、波長分割多重されてい ないシステムで応用できると考えるべきである。色分散が存在するときに高帯域 動作ができるよう、単一チャンネル・システムにおいて、例えば、狭帯域送信機 が必要とされる。このような単一チャンネル・システムにおいて、送信機の発光 波長の絶対値は、通常、ほとんど重要でないため、最初は波長のずれが何の問題 も引き起こさないものと思われた。しかしながら、狭帯域幅のソースを提供する として受け入れられた方法は、単一縦モードでレーザを動作させることであり、 上述したように、このようなレーザの等価自由空間長がずれることになれば、単 一縦モードの波長もずれてしまう。結局は、この単一縦モードの波長が、他の縦 モード全てに渡って優先的に励起される波長帯域からずれることになり、他の波 長がそれにとって代わることになる。このようにして、上述した、ノイズを発生 するモード・ホッピングの問題が生じる。発明の概要 本発明は、モード・ホッピングによって発生するノイズがかなり低減される、 狭帯域光送信機の構成および動作に関するものである。 本発明によれば、データ変調信号を提供する方法において、この信号は、デー タで振幅変調された光搬送波からなり、この搬送波は、光学的な利得を提供する 媒体を組み込んだ光学的な空洞において生成され、この光学的な空洞は、せいぜ い０．１ｎｍ幅の帯域を有するスペクトル選択性反射器によって部分的に形成さ れ、また、この光学的な空洞の長さが縦モードの分割を与え、この分割は、上記 変調に対して搬送波を提供するよう上記スペクトル選択性反射器の帯域幅に比べ て十分に小さく、マルチモードであり、その振幅変調は、上記データ変調による 振幅変調に比べて小さい当該方法が提供される。 本発明はさらに、データ変調信号を提供する方法において、この信号は、デー タで振幅変調された光搬送波からなり、この搬送波は、光学的な利得を提供する 媒体を組み込んだ光学的な空洞において生成され、この光学的な空洞は、単色源 の変調データによって生成される変調データ帯域幅よりも小さい帯域幅を有する スペクトル選択性反射器によって部分的に形成され、また、この光学的な空洞の 長さが縦モードの分割を与え、この分割は、上記変調に対して搬送波を提供する よう上記スペクトル選択性反射器の帯域幅に比べて十分に小さく、マルチモード であり、その振幅変調は、上記データ変調による振幅変調に比べて小さい当該方 法を提供する。 本発明はまた、外部光変調器と光学的に結合されたレーザを含む光通信送信機 において、このレーザには、光学的な利得を提供する媒体を組み込んだ光学的な 空洞が供され、この光学的な空洞は、スペクトル選択性反射器によって部分的に 形成され、この反射器のスペクトル帯域幅は、せいぜい０．１ｎｍ幅であり、ま た、この光学的な空洞の長さは、この空洞に縦モードの分割を与え、その分割は 、上記反射器のスペクトル帯域幅に比べて小さく、上記レーザの動作の際、相当 数の縦モードが同時に励起される当該光通信送信機を提供する。 本発明はさらに、外部光変調器と光学的に結合されたレーザを含む光通信送信 機において、このレーザには、光学的な利得を提供する媒体を組み込んだ光学的 な空洞が供され、この光学的な空洞は、スペクトル選択性反射器によって部分的 に形成され、この反射器のスペクトル帯域幅は、単色源を変調する上記光変調器 を使用することによって生成される変調データ帯域幅よりも小さく、また、この 光学的な空洞の長さは、この空洞に縦モードの分割を与え、その分割は、上記反 射器のスペクトル帯域幅に比べて小さく、上記レーザの動作の際、相当数の縦モ ードが同時に励起される当該光通信送信機を提供する。 従前は、狭帯域幅光送信機の開発において、モード・ホッピングに関連するノ イズの問題を防止するため、単一モード動作を安定させることに多大な努力が払 われが、本発明は、レーザの単一縦モードにおけるスペクトル幅の代わりに、レ ーザ空洞の反射器のスペクトル幅によって発光帯域幅を制御することを選んで、 マルチモード動作による効果を得るものである。レーザ発光帯域の中心は、スペ クトル選択性の反射器によって決定され、従来の単一縦モード半導体レーザを安 定させる方法とは対照的に、ここでは、レーザの個々のモード波長を安定させる ことは全く行っていない。同時に励起された相当数の縦モードを有することによ って、モード・ホッピングに関連するノイズがかなり少なくなり、ビートの影響 も減少する。図面の簡単な説明 以下、本発明を好適な形態で実施する狭帯域幅の光送信機について説明する。 この説明では、以下の添付図面を参照する。 図１は、レーザの縦モードの帯域幅、スペクトル選択性のレーザ反射器、およ び変調信号間のスペクトル的な関係を概略的に示す。 図２，図３，図４，図５は、レーザと変調器の代替構成を示す。 図６は、レーザと変調器の構成を示しており、このレーザには、２つのスペク トル選択性のレーザ反射器と、これら２つの反射器を選択するスイッチが供され ている。実施の形態 本発明に係る光送信機は、レーザより連続波動光電力が供給される光変調器を 備える。図１において、この変調器は、軌跡１０で示される一定の帯域幅を有す る。このレーザの光電力は、軌跡１１で表される一定のスペクトル帯域内に制限 され、その制限は、そのレーザの共振光学的空洞の一部を形成する、スペクトル 選択性の反射器によるものである。この発光が変調器で変調されると、変調され た信号の帯域幅は、変調帯域幅で決まる量だけ拡張されたレーザ発光の帯域幅と なる。このため、図示の便宜上、図１では、変調帯域幅１０をレーザ発光帯域幅 １１に重ねて示してあり、変調のベースバンド自体は光帯域内にない。色発散の ある環境で動作する高帯域幅伝送システムでは、明らかに、変調された光の帯域 幅を最小にすることが望ましい。１０Ｇｂｉｔ／ｓのシステムにおいて、振幅変 調された（両側波帯）光帯域幅は、少なくとも１０ＧＨｚに渡って広がった成分 を含むスペクトルを生成するが、通常は、実際の変調器の立上り時間や立下り時 間を考慮に入れると、その約２倍のスペクトルを生成している。１５００ｎｍで 発光するレーザに対して、２０ＧＨｚは、おおよそ０．１５ｎｍに対応するので 、この無変調レーザ発光のスペクトル幅をせいぜい０．１ｎｍに抑えることによ って、この無変調レーザ発光に起因する発散を、変調したことに起因する発散よ りも小さくすることができる。別の見方をすると、無変調レーザ発光帯域幅を、 単色のソースを変調する変調器を用いて生成された帯域幅よりも小さくすること により、発散は限度内に保たれる。（これは、変調された帯域幅が、この変調器 を用いて生成できる最小帯域幅の２倍の帯域幅よりも小さいことを示している。 ）レーザの光学的空洞の長さは、反射器のスペクトル帯域幅１１との関連におい てかなり長いので、このレーザ空洞の縦モードの相当数が、そのスペクトル帯域 幅の包絡線内に収まる。軌跡１２で示すこれらの縦モードは、図示の便宜上、こ の包絡線１１内にあるものとして、比較的わずかな数のモード１２のみを示して いるが、実際には、もっとたくさんの数が存在する。 図２の光送信機は、レーザと外部変調器を備えている。このレーザの光学的な 増幅部は、反射端面２１および反射防止塗装された端面２２を有する半導体レー ザチップ２０からなり、この面２２を介した発光は、特定長の単一モードファイ バ２３と結合する。このファイバの遠端には、スペクトル選択性のブラッグ回折 格子反射器２４がある。この反射器２４およびレーザチップ２０の反射面２１は 協調して、このレーザの光学的な空洞を形成する。反射面２１は全反射器ではな いため、この面２１を介して送信される光はレーザ出力を提供し、それが、２５ で示す変調器に送られる。１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調器２５において、ブラッグ反 射器２４は、通常、数ＧＨｚの帯域幅を持っており、一方、特定長の光ファイバ ２３は、通常、ブラッグ反射帯域の包絡線内に、少なくとも１００の縦モードを 提供するのに十分なものである。 図２に示す送信機の設計上の特徴の一つとして、光電力が、レーザチップ２０ の両端面から外界へと供給されることが挙げられる。もしこれが不都合であれば 、図３に示すような、別な構成としてもよい。この構成は、図２の送信機とほと んど同じ部品を用いるが、この例では、変調器２５への入力は、半導体レーザチ ップ端ではなく、レーザの光学的な空洞のブラッグ反射器端からとる。 図４には、第３の変形例が示されており、レーザの光学的な空洞はまた、例え ば、先細り状の溶融ファイバ・カプラからなる光タップ４０を含んでおり、これ は、レーザ空洞中を循環している電力の少量をタップ出して、それを変調器２５ に供給する。 この変調器２５が偏光に感応しやすい場合、普通は、変調器に印加されるレー ザ出力の偏光状態（ＳＯＰ）を制御するための何らかの手段を設けることが望ま しい。光ファイバ２３が、通常の円対称単一モードファイバであるならば、その 複屈折は、例えば、温度変化、構造変化により、時間とともに変化しやすくなる 。このような変化は、次にはレーザ出力のＳＯＰを変化させることになる。この 問題を解決する一つの方法は、ファイバ２３として偏光保持ファイバを使用する こ とである。図４の送信機の場合、レーザと変調器との間のファイバ・タップ接続 にも、通常、偏光保持ファイバが用いられる。特定長の偏光保持ファイバの光学 軸は、半導体レーザチップ２０および変調器２５の光学軸と一直線になっている 。 場合によっては、半導体レーザチップ２０からブラッグ反射器２４へずっと延 びる長距離偏光保持ファイバの使用を避けるのが望ましい。図５の送信機は、偏 光ビーム分割カプラ５０、および、４５°ファラデー回転素子５１と反射器５２ とからなるファラデー・ミラーを用いて、この問題を回避している。（このよう なファラデー・ミラーの例は、カリフォルニア州 サンホゼ ランディ・アベニ ュー １８５５，ＣＡ９５１３１の有限会社イー・テック・ダイナミックス（Ｅ ‐ＴＥＫ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）により、ＨＳＦＭ−１５５０−ＦＣ−Ａという名 称で販売されている。）偏光ビーム分割カプラ５０の結合領域の片面には、アー ム５０ａが、偏光保持光ファイバによって、半導体レーザチップ２０の反射防止 塗装された端面２２に光学的に結合されており、一方、アーム５０ｂが同様に、 偏光保持光ファイバによって、ブラッグ反射器２４に光学的に結合されている。 この偏光ビーム分割カプラの結合領域の反対側には、円対称単一モードファイバ ２３によって、アーム５０ｃがファラデー回転素子５１に光学的に結合されてお り、他方において、アーム５０ｄが、非反射減衰器５３に光学的に結合されてい る。図５には、タップ４０を介して、レーザに光学的に結合された変調器２５が 示されている。従って、本送信機の電力抽出構造は、図４の送信機の電力抽出構 造に似ている。しかしながら、点線２５’で示すように、その変調器を直接、レ ーザチップ２０の反射面２１に結合することもでき、図２の送信機に似た電力抽 出構造を提供できる。さらに、その代わりとして、点線２５”で示すように、こ の変調器をブラッグ反射器２３に結合して、図２の送信機に似た電力抽出構造を 提供する方法もある。特定長を有する偏光保持ファイバの光学軸は、半導体レー ザチップ２０および変調器２５（２５’または２５”）の光学軸と一直線になっ ている。 レーザチップ２０より偏光ビーム分割カプラのアーム５０ａに向けて発せられ た光は、その光がポート５０ｃを介してカプラから現れるようにする主平面と一 直線に揃ったＳＯＰを有しており、この光は、次に、特定長の円対称ファイバ２ ３に向けて発せられる。ここで、そのＳＯＰは、このファイバの最遠端まで通過 する過程において、任意かつ実際的な方法による変化を被りやすい。この時点で 、その光がＳＯＰの変化なしに反射すれば、さらなるＳＯＰの変化を被った後、 アーム５０ｃへと戻る。このような状況下で、アーム５０ｃに再入力する光のＳ ＯＰは、任意に変化する不確定なＳＯＰを有する。しかしながら、ファラデー反 射器は、一般的に、光を反射するときにＳＯＰを変化させる。この変化は、ファ イバ２３を通る戻り経路上の光のＳＯＰがさらに変化することで、その光が、最 初にアーム５０ｃを離れたときに有していたＳＯＰに直交するＳＯＰを有して、 アーム５０ｃへ再入力させることを保証する量の変化である。このことは、戻る 光が、アーム５０ｂを介して確実に再び現れるようにするＳＯＰを有して、アー ム５０ｃに再入力することを意味する。光は、アーム５０ｂからブラッグ反射器 ２４へ入射され、アーム５０ｂに再入力するよう戻る。このカプラ５０からブラ ッグ反射器へ、そして、再び戻る光経路は、偏光保持ファイバ中にある。従って 、ブラッグ反射器が何らモード変換を行わないならば、戻る光は、最初にアーム ５０ｃを離れたときと同じＳＯＰを有してアーム５０ｃへ再入力する。（もし何 らかのモード変換があれば、モードが変換された光は、カプラによってアーム５ ０ｄへ導かれ、非反射減衰器５３へと送り込まれる。）従って、アーム５０ｃに 再入力した光には、特定長の円対称ファイバ２３への二度目の送信が行われるが 、そのときのＳＯＰは、その光が最初に発せられたときに有していたＳＯＰに直 交する。そして、再び光がファラデー・ミラーで反射され、最初に特定長ファイ バへ発せられたときと同じＳＯＰを有して、アーム５０ｃに戻る。従ってこの光 は、カプラ５０によって結合され、アーム５０ａを介して現れる。ここから、光 はレーザチップ２０へと戻ることで、面２１での反射の後、レーザの光学的な空 洞についての往復経路が完成する。 図２，図３，図４あるいは図５の、いずれかの送信機についてのブラッグ反射 器２４が、それ自身、偏光保持ファイバ中に構成されている場合、２つの主平面 の有効屈折率がわずかに違うため、回折格子についてのある物理的な周期性は、 速い主平面に対して波長帯域１１上で反射を起こさせ、遅い主平面に対しては、 わずかにずれた波長帯域１１上で反射を起こさせる。ビート長として適当な値を 選択することによって、この回折格子は、ある方向では、ＷＤＭシステムの１チ ャンネルを反射し、また、９０°回転されたときには、もう１つのチャンネルを 反射するよう構成することができる。 チャンネル切替えの他の形態は、図６の送信機に用いられている。これは、実 線２５で示す変調器を用いたときに、図４の送信機に相当する、２チャンネルに 作り替えた送信機であり、代わりに点線２５’で示す変調器を用いたときには、 図２の送信機に相当する、２チャンネルに作り替えた送信機である。この送信機 は、２つの特定長の単一モード光ファイバ２３ａ，２３ｂを有しており、各々が 、ブラッグ反射器２４ａ，２４ｂに光学的に結合されている。２つの特定長の光 ファイバ２３ａ，２３ｂは、切替可能カプラ６０を用いて、光学的にレーザチッ プ２０に結合されている。例えば、このカプラは、カプラ６０全体に電界を印加 して、その結合領域における屈折率を変化させることができる形態のものであり 、こうすることで、アーム６０ａがアーム６０ｃと結合した第１状態と、アーム ６０ａがアーム６０ｄと結合した第２状態との間におけるカプラの結合強度を変 更できる。 上述の具体的な実施の形態各々は、半導体レーザチップをそのレーザの光学的 な利得供給素子として用いるものと表現されており、本発明は、特にこのような 特定の種類の光学的な利得供給素子を用いたレーザを備える送信機に限定される ものではない、ということが理解される。例えば、レーザ機構に組み込まれた、 エルビウムがドーピングされた特定長のファイバの光学的なポンピングによって 、光学的な利得を代替的に供給できることは明白である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/142 10/152 10/28

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． データ変調信号を提供する方法において、この信号は、データで振幅変調 された光搬送波からなり、この搬送波は、光学的な利得を提供する媒体を組み込 んだ光学的な空洞において生成され、この光学的な空洞は、せいぜい０．１ｎｍ 幅の帯域を有するスペクトル選択性反射器によって部分的に形成され、また、こ の光学的な空洞の長さが縦モードの分割を与え、この分割は、前記変調に対して 搬送波を提供するよう前記スペクトル選択性反射器の帯域幅に比べて十分に小さ く、マルチモードであり、その振幅変調は、前記データ変調による振幅変調に比 べて小さいことを特徴とする方法。 ２． データ変調信号を提供する方法において、この信号は、データで振幅変調 された光搬送波からなり、この搬送波は、光学的な利得を提供する媒体を組み込 んだ光学的な空洞において生成され、この光学的な空洞は、単色源の変調データ によって生成される変調データ帯域幅よりも小さい帯域幅を有するスペクトル選 択性反射器によって部分的に形成され、また、この光学的な空洞の長さが縦モー ドの分割を与え、この分割は、前記変調に対して搬送波を提供するよう前記スペ クトル選択性反射器の帯域幅に比べて十分に小さく、マルチモードであり、その 振幅変調は、前記データ変調による振幅変調に比べて小さいことを特徴とする方 法。 ３． 外部光変調器と光学的に結合されたレーザを含む光通信送信機において、 このレーザには、光学的な利得を提供する媒体を組み込んだ光学的な空洞が供さ れ、この光学的な空洞は、スペクトル選択性反射器によって部分的に形成され、 この反射器のスペクトル帯域幅は、せいぜい０．１ｎｍ幅であり、また、この光 学的な空洞の長さは、この空洞に縦モードの分割を与え、その分割は、前記反射 器のスペクトル帯域幅に比べて小さく、前記レーザの動作の際、相当数の縦モー ドが同時に励起されることを特徴とする光通信送信機。 ４． 外部光変調器と光学的に結合されたレーザを含む光通信送信機において、 このレーザには、光学的な利得を提供する媒体を組み込んだ光学的な空洞が供さ れ、この光学的な空洞は、スペクトル選択性反射器によって部分的に形成され、 この反射器のスペクトル帯域幅は、単色源を変調する前記光変調器を使用するこ とによって生成される変調データ帯域幅よりも小さく、また、この光学的な空洞 の長さは、この空洞に縦モードの分割を与え、その分割は、前記反射器のスペク トル帯域幅に比べて小さく、前記レーザの動作の際、相当数の縦モードが同時に 励起されることを特徴とする光通信送信機。 ５． 光学的な利得を提供する前記媒体は、一方の発光面が反射防止塗装された 半導体レーザチップであることを特徴とする請求項３または４記載の光通信送信 機。 ６． 前記スペクトル選択性反射器は、単一モード光ファイバ中に形成されたブ ラッグ回折格子によって与えられることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか に記載の光通信送信機。 ７． 前記単一モード光ファイバは、円対称光ファイバであることを特徴とする 請求項６記載の光通信送信機。 ８． 前記単一モード光ファイバは、偏光保持光ファイバであることを特徴とす る請求項６記載の光通信送信機。 ９． 請求項３乃至８のいずれかに記載の複数の送信機を用いた波長分割多重光 送信システム。