JPS63227093A - 光変調増幅装置 - 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】 〔目次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする問題点 問題点を解決するための手段 作用 実施例 実施例の構成とタイミング（第２図） 他の実施例と半導体変調素子（第３図）発明の効果 〔概要〕 光変調増幅装置において、増幅器からの戻り光が発振器
に入射することにより発振器の動作が不安定となって雑
音を発生したり、信号に歪を生じたりすることを解決す
るために、変調器、あるいは増幅器の前段にあるシャッ
タのどちらか一方、または両者について増幅器からシャ
ックを通過して戻り光かあ、る期間は変調器を停止させ
、逆に増幅器からの自然発光、あるいは戻り光がシャッ
タと変調器を通過し発振器まで帰還されて、発振器に悪
影響を与える可能性のある期間はシャッタを遮断状態に
した構成をもつ光変調増幅装置を提起し、発振器と増幅
器の相互干渉を防止し、発振器が安定に動作する安定な
光変調増幅を行えるようにする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は光通信等に利用される２個以上のレーザ素子を
用いて行う光変調増幅装置の構成に関する。

光通信システムの性能向上のための重要な要素として、 ■　無中継伝送距離の長距離化 ■　変調周波数の高周波化 がある。

■を実現する゛手段として、つぎのような方法がある。

（ａ）　　信号送信用光源の高出力化を行い長距離伝送
時の受信点での光出力のレベルを必要な値にたもつ。

（ｂｌ　　光源の発振周波数の単一化、安定化を行い受
信側でヘテロゲイン検波を行い受信感度を向上させるこ
とにより長距離伝送を行う。

■を実現する手段として、つぎのような方法がある。

（Ｃ）　　高速の外部変調素子を用いて変調を行う。

光通信システムの長距離化、大容量化のために、上記の
（ａｌ〜（Ｃ）のいずれか、あるいはすべてを充たした
光源の出現が望まれる。

これらを実現するための技術的背景としては、大出力化
手段の１つとしてレーザ素子を２個以上直列に接続して
光増幅を行う方法があり、本発明では（ａ）の実現のた
めにこれを用いた。

しかし、従来のレーザ素子を用いた増幅装置では増幅器
からの光の帰還により雑音が大きくなる等の問題があっ
たため、本発明では外部変調器を用い、変調器の光を変
調すると同時に変調器を一種のシャッタとして利用し、
変調器のシャッタ効果と増幅器の前段に置かれたシャッ
タの働きにより光の帰還を回避する。本発明で利用した
外部変調器の利用は（Ｃ）を充たしている。

さらに、発振器を一定の動作条件で、変調等の外乱を与
えずに作動させることができるため、発振器にＤＦＢ　
（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄ　Ｂａｃｋ）　　
レーザを用いると発振器の発振周波数の安定性が向上し
、（ｂｌを充たすことができる。

〔従来の技術〕

第４図（１）、（２）は従来例による光変調増幅器の構
成と駆動方式を示す図である。

図において、（１）は構成、（２）は動作時における変
調器の動作タイムチャートと、発振器、変調器、増幅器
間の光の相対位置関係を示している。

第４図（１）において、１は発振器、２は変調器、３は
増幅器、４は伝送する信号を発生するための信号発生器
、６は発振器と変調器間で光を結合させるための導波路
、７は変調器と増幅器間で光を結合させるための導波路
、８は発振器よりの出射光、９は変調器を通過した光、
１０は増幅された光、１１は信号発生器の出力、１２は
変調器に入力される信号である。

ここでは、特に図示されていないが、増幅器から変調器
、および発振器へと帰還される戻り光も存在する。

ここで、発振器１、および増幅器３は連続動作状態にあ
り、また、変調器２は信号発生器４の信号で光を透過し
たり遮断したりするシャッタ動作を行う。

増幅は、例えば電流により発振しきい値付近まで励起さ
れた半導体レーザよりなる増幅器３に、変調器を通過し
てきた発振器からの光９を入射させて行う。

このとき従来例では、増幅器が常に放射している自然放
出光、あるいは信号光が増幅器で増幅された後戻り光と
なる光が発振器に戻るため、発振器の光と戻り光との干
渉を起こし、発振器に悪影響を与えるという問題がある
。

第４図（２）はその様子を示すものである。

第４図（２）において、１４は変調器の制御信号波形、
３４．１６．１７はそれぞれ発振器、変調器、増幅器の
空間的な位置を示している。また、２９は増幅器よりの
自然放出光、３０は増幅器より発振器側に帰還される戻
り光である。

ここで、変調器の制御信号波形１４は第４図（１）の信
号１１．１２と同一波形であり、オフ時は光を遮断し、
オン時は光を透過する。

図の左端に示された時間ｔ＋　、ｔｚ、ｔ３、・・・の
順序で時間が経過するものとする。

変調器はｔアルＬ、の間と、ｔ、〜ｔｌ＋の間に光を透
過する。

ｔ、ｘｔ、： 変調器がオフ時で信号光９は変調器の位置１６より右側
に進まず、また増幅器の自然放出光２９は変調器の位置
１６より左側へは進まない。

ｔコニ 変調器がオンになると信号光９、増幅器の自然放出光２
９はそれぞれ変調器の位置１６を越えて右、左へ進行す
る。

変調器の位置１６を通過した信号光９は増幅されて、増
幅された信号光１０が現れてくる。

これと同時に増幅された光の一部は戻り光３０となって
左側へ帰還を始める。

ｔ３の時点ですでに増幅器の自然放出光２９は発振器に
入射しており、発振器に悪影響を与える。

ｔ４　： 増幅器からの戻り光３０も発振器に戻るようになり発振
器の動作はますます不安定となる。

ｔ３〜ｔ、： 増幅器からの光の帰還があり、発振器の動作を不安定に
する。

ｔ５〜ｔ、： この期間は発振器からの光が遮断されているので重要で
ない。

ｔ８からはの動作は、ｔｌからの動作と同様になり、以
下同じ動作が繰り返される。

つぎに、戻り光の特性に与える影響について説明する。

第５図（１１、（２）は戻り光の悪影響を説明する周波
数に対する雑音強度と光強度の関係を示す図である。

図において、（ａ）は戻り光あり、（ｂ）は戻り光なし
の場合を示す。

第５図（１）は周波数に対する雑音の関係を示し、戻り
光があるときは図のように大きな雑音の増加が起こり、
特に周波数ｆが ｒ、　＝　Ｃ／２Ｌ　。

のときは、共振により大きい雑音が発生する。

ここに、Ｃは光速、Ｌは発振器と増幅器の距離である。

第５図（２）はＤＦＢレーザ等の単一軸モードレーザの
光のスペクトルを示した図である。

戻り光があるとスペクトル幅が拡がり光の品質が低下し
、特に光へテロダイン通信には利用できなくなる。

以上のように、従来の光変調増幅器では主に戻り光によ
り発振器の動作が不安定になる欠点がある。

従来より、レーザより出射した光を直接光ファイバーに
入力する場合の戻り光をカットするために偏光板とファ
ラデー回転素子を用いた光アイソレータが利用されてい
るが、これの能力は２０　ｄＢ（１／１００）である。

これに対し通常のレーザは０．０１％（１／１００００
）以下の戻り光により、大きな雑音増加とスペクトルの
変化を起こす。

例えば、増幅を行わないような場合は、ファイバ一端（
反射率０．４％）等からの反射であるため、アイソレー
タにより戻り光の量は０．００４％まで低下できる。

しかしながら、増幅を行う場合は、増幅器で増幅された
光が戻るため、戻り光量が大きくなり、アイソレータの
効果が殆どなくなってしまう。例えば増幅器の利得が１
００倍あれば、アイソレータは全く機能しなくなってし
まう。

さらに、ＤＦＢレーザでは端面の反射率を下げているた
め、通常のレーザより戻り光に対する耐性が数倍低下す
る。これは現在ではかなり大きな問題となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の変調増幅器装置では、増幅器からの戻り光と発振
器の出射光が干渉を起こし、出力光の雑音が増加したり
、あるいは光スペクトル幅が拡がる問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点の解決は、半導体発光装置よりなる発振器と
、該発振器より出射する光を伝送する信号により光強度
変調を行う変調器と、該変調器より出る光を増幅する作
用をもつ半導体装置よりなる増幅器と、該変調器と該増
幅器の間に光を断続できるシャッタと、該変調器と該シ
ャッタの動作を断続する作用をもつタイミングコントロ
ーラとを有し、該タイミングコントローラにより該変調
器の能動状態と休止状態の切り換え制御、および該シャ
ッタの断続の制御の内いずれか一方、または両方の制御
を行い、該変調器は、該発振器から該変調器、および該
シャッタを通過して該増幅器に達し該増幅器で増幅され
た光が、再び該シャッタ、および該変調器を通過して該
発振器に戻る期間を休止状態とし、該シャッタは、該増
幅器で増幅された光が該シャッタ、および該変調器を通
過して該発振器に戻る期間と、該変調器が能動状態にあ
る期間が一致する期間について遮断状態として動作させ
るようにした光変調増幅装置により達成される。

〔作用〕

第１図（１）〜（２）は本発明による光変調増幅装置の
構成と駆動方式を示す図である。（１）は構成を、（２
）は変調器とシャッタの動作タイミングと、発振器と増
幅器間を走行する光の空間位置を示した図である。

第１図（１）において、 １は発振器、　２は変調器、　３は増幅器、４は伝送す
る信号を発生する信号発生器、５は変調器とシャッタの
動作タイミングを制御するタイミングコントローラ、 ６は発振器から出力されらた光を変調器に結合させるた
めの先導波路、 ７は変調器を通過した光をシャッタに結合させるための
光導波路、 ８は発振器より出力され、変調器に入射される光、 ９は変調器よりシャッタに入射される信号光、９Ａはシ
ャッタより増幅器に入射さ、れる信号光、１０は増幅さ
れた信号光、 １１は信号発生器より出力される信号、１２．１３はそ
れぞれ変調器とシャッタを制御する制御信号、 １９はシャッタ、 ２０はシャッタを通過した光を増幅器に結合させるため
の光導波路、 ３０は増幅器よりの戻り光、 Ｌは変調器とシャッタ間の光学的距離 である。

ここで、発振器１と増幅器３は直流電源により連続動作
をしている。

第１図（２）において、 左端に示された時間Ｊ　、Ｌｚ、ｔ３、・・・の順序で
時間が経過するものとする。

１４は変調器の制御信号１２の波形、 １５はシャッタの制御信号１３の波形、で、高レベル“
１”にあるときは能動（透過）状態、低レベル“０”に
あるときは休止（遮断）状態になる。

また、 １６は変調器の空間的位置、 １７はシャッタの空間的位置、 １８は増幅器の空間的位置 を示し、これらの空間的位置１６〜１８の間、および両
側に示された横線はそれぞれ時間１．　、１２、ｔ３、
・・・における光の空間的位置関係を示す。

発振器を出て変調器を通過し、た信号光９．９Ａは実線
で、増幅器からの自然放射光２９は一点鎖線で、増幅器
により増幅された信号光１０は三重線で、増幅器からの
戻り光３０は点線で示される。

以下に本発明の作用について説明する。

変調器とシャッタをそれぞれ１４．１５のタイミングで
動作させる。ここで、 Ｔ、は変調器とシャッタの間を光が走行するのに必要な
時間Ｔ以下、 Ｔ２は変調器から出力された光が増幅器に達し、シャッ
タによって遮断される直前までの戻り光が、変調器まで
戻ってくるのに要する時間以上の時間である。

このようなタイミングで動作させることにより変調器が
動作状態にあるｔ＋””ｔａＯ間、あるいはｔｌｌ　”
’ｔ１３の間には増幅器からの戻り光が変調器に入射さ
れなくなるゆ 以下に時間を追ってその動作を説明する。

１）　１＋〜ｔ３： この期間は変調器のみ動作しシャッタは遮断状態であり
、変調器を通過しシャッタに入射される信号光９は遮断
され増幅器へは送られない。

また、ＴＩ　は光がシャンクへ到達するのに要する時間
よりも短いので、信号光９はシャッタ１９を通過しない
。さらに増幅器からの自然放出光による戻り光２９はシ
ャッタ１９によって遮断される。

２）　ｔ、　〜ｔフ　： シャッタが透過状態となり、信号光は増幅器へは送られ
るようになる。ｔ４で増幅器よりの自然放出による戻り
光２９がシャンクより左側へ戻され始める。ｔ４〜ｔ６
間では信号光９Ａは増幅器を通過し増幅される。これに
より右に進む増幅された信号光１０と、信号光１０の戻
り光３０とを生じ、戻り光３０は左に進む。

３）ｔ、〜ｔ１３： この期間はシャッタが遮断状態となるため、増幅器より
の自然放出による戻り光２９はシャッタに遮られ、また
増幅器からの戻り光３０は入射光がなくなるため発生し
なくなる。

ｔｌ。で戻り光２９、および３０は変調器の位置１６と
シャッタの位置１７間に存在しなくなる。

ｔ３〜ｔ１□間は変調器が休止しているため、戻り光２
９、および３０は変調器を通過できず、従って発振器に
は帰還されない。

以後、ｔｌｌからほの動作は、ｔ、からの動作と同様に
なり、同じ動作が繰り返される。

以上のように、第１図（１１の構成をとると、変調器と
発振器との間には戻り光が存在しなくなる。

この結果、戻り光による発振器の雑音増加、発振スペク
トルの拡がりを防止できる。

〔実施例〕

第２図（１１、（２）は本発明の詳細な説明する光変調
増幅装置の構成と駆動方式を示す図である。（１）は構
成を、（２）は各部のタイミングを示した図である。

第２図（１）において、 １１は信号源の出力、 １２は変調器ドライバの出力、 １３はシャッタドライバの出力、 ２１は変調器を駆動するための変調器ドライバ、２２は
信号１１を遅延するための遅延装置、２３は信号２７の
パルス幅を拡げるためのパルス幅拡大装置、 ２４はシャッタを駆動するためのシャンクドライバ、 ２５は発振器と変調器との光の結合を行うための導波路
を形成するレンズ、 ２６はシャンクと増幅器との光の結合を行うための導波
路を形成するレンズ、 ２７は遅延装置の出力、 ２８はパルス幅拡大装置の出力 である。

発振器１と増幅器３には半導体レーザを、変調器２とシ
ャッタ１９には音響光学変調器を使用し、発振器１と増
幅器３は直流電流により連続動作をさせる。

変調器ドライバ２１、シャッタドライバ２４は信号１１
．２８が高レベルにあるときは電流、あるいは電圧を発
生し、低レベルにあるときは電流、あるいは電圧を発生
しないように動作し、これによって、変調器とシャッタ
を能動（透過）状態と休止（遮断）状態に制御する。

また、増幅器３に流す電流は発振しきい値電流以下にし
、変調器とシャッタの距離しは３０　ｃｍとする。

第２図（２）は、信号源４の信号パターンが“１１００
１”であるときの、各信号のタイミングを示したもので
ある。

図において、 （ａ）は信号源の出力１１、 （ｂ）は変調器ドライバの出力１２、 （Ｃ）は遅延装置の出力２７、 （ｄ）はパルス幅拡大装置の出力２８、（８）はシャッ
タドライバの出力１３ のタイミングチャートである。

ここで、高レベルの“ｌ”では能動（透過）状態、低レ
ベルの“０”では休止（遮断）状態になる。

各タイミングＴ、、Ｔ！、Ｔ３　、Ｔ４、Ｔ３、Ｔ６は
それぞれ１．０．２．２．３．２．０．９．１．１．１
．２ｎｓｅｃである。

ここで、 （ａ）、（ｂ）は同じタイミグで、パルス幅　Ｔ、で周
期Ｔ、の信号、 （Ｃ）は（ａ）のパルスの立ち上がりで遅延装置２２を
トリガし、Ｔ４の遅延を与えた信号、 （ｄ）は（Ｃ）のパルスの立ち上がりでパルス幅拡大装
置２３をトリガし、パルス幅をＴｂとした信号、（８）
は（ｄｌと同じタイミングをもつ信号である。

第２図（１）の構成をとり、第２図（２）に示したタイ
ミング動作をさせることにより、第１図で説明したよう
に発振器への戻り光の影響を防止し、発振器が安定に動
作するようになる。

その結果、動作の安定した光変調増幅装置が実現される
。

実施例では、変調器とシャッタに音響光学変調器を用い
たが、これの代わりにＫＤＰ　、あるいはＬｉＴａＯ５
等を用いて形成した電気光学変調器を用いてもよい。

第３図（１）、（２）は本発明の他の実施例を説明する
光変調増幅装置の構成とフランツケルディツシュ型の半
導体変調器の断面図である。

第３図（１１が第２図＋１１と異なる点は変調器２とシ
ャッタ１９に音響光学変調器、あるいは電気光学変調器
の代わりに、これらより高速動作が可能なフランツケル
ディツシュ効果を利用した半導体変調器を用いたことと
、変調器とシャッタとの間に光結合のためのレンズ４６
．４７を用いたことである。

第３図（２）のフランツケルディツシュ型の半導体変調
器の断面図において、５１はｎ−ＩｎＰ基板、５２は光
導波路を構成するＩｎＧａＡｓＰ層、５３はｐ−１ｎＰ
層、５４は反射防止（＾Ｒ）コート、５５．５６は電極
、５７はｐｎ接合を逆バイアスするための直流電源、５
８は制御信号である。

ここで、ＩｎＧａＡｓＰ層５２のバン層数２ップは入射
光のエネルギよりもわずかに大きくなるようにする。

ＩｎＧａＡｓＰ層５２の基礎層数２（バンドギャップ）
よりわずかに大きいエネルギの光の吸収はＩｎＧａＡｓ
Ｐ層５２に電界層数２られないときは小さいが、電界が
加えられるとフランツケルディツシュ効果による電子の
波動の滲み出しにより吸収率が増加する。

この効果を利用して光を透過、あるいは吸収して光強度
変調、あるいはシャッタとしての動作を行わせる。

この場合は第２図の場合より高周波で変調できる効果が
ある。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本発明によれば、発振器と増
幅器からの戻り光との干渉が起こらな（なり、低雑音で
発振器のスペクトル幅の変化が少ない光変調増幅ができ
る。

また本発明は、外部変調器を用いることによりつぎのよ
うな効果もある。

■　発振器となるレーザをＣＷ　＜連続発振）で動作さ
せることができるため、発振器を直接電流により変調（
光強度変調）する場合に比べ、発振波長の安定性等レー
ザの動作状態が安定する。

■　発振器は一定電流、一定出力動作であるため、叶Ｂ
レーザ等の単一軸モードレーザを用いた場合のの発振ス
ペクトルの幅等のスペクトル変化が起こらない。

■　外部変調器、およびシャッタに半導体の光吸収等を
利用した半導体変調素子を用いることにより、直接変調
の場合より高速変調が行えス。

【図面の簡単な説明】

第１図（１）〜（２）は本発明による光変調増幅装置の
構成と駆動方式を示す図、 第２図（１）、（２）は本発明の詳細な説明する光変調
増幅装置の構成と駆動方式を示す図、第３図（１）、（
２）は本発明の他の実施例を説明する光変調増幅装置の
構成とフランツケルディツシュ型の半導体変調器の断面
図、 第４図（１）、（２）は従来例による光変調増幅器の構
成と駆動方式を示す図、 第５図（１）、（２）は戻り光の悪影響を説明する周波
数に対する雑音強度と光強度の関係を示す図である。 図において、 １は発振器、　２は変調器、　３は増幅器、４は信号発
生器、 ５はタイミングコントローラ、 ６．７．２０は光導波路、 ８は発振器より出力される光、 ９は変調器よりシャッタに入射される信号光、９Ａはシ
ャンクより増幅器に入射される信号光、１０は増幅され
な信号光、 １１は信号発生器より出力される信号 （信号源の出力）、 １２は変調器を制御する制御信号 （変調器ドライバの出力）、 １３はシャッタを制御する制御信号 （シャッタドライバの出力）、 １４は変調器の制御信号１２の波形、 １５はシャフタの制御信号１３の波形、１６は変調器の
空間的位置、 １７はシャンクの空間的位置、 １８は増幅器の空間的位置、 １９はシャッタ、 ２１は変調器ドライバ、 ２２は遅延装置、 ２３はパルス幅拡大装置、 ２４はシャフタドライバ、 ２５．２６は導波路を形成するレンズ、２７は遅延装置
の出力、 ２８はパルス幅拡大装置の出力、 ２９は増幅器からの自然放射光、 ３０は増幅器からの戻り光、 しは変調器とシャッタ間の光学的距離 （２フタ代〉７°゛チゼ斗 寅　り包　ｆグリ （２）　　ｆＡシＰ（ドブこ〃０３シ 化　／）寅掘吃ヂクリ 茅ン２ ｊ゛ソ尤　Ｖ零 第５斤

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体発光装置よりなる発振器と、該発振器より出射す
   る光を伝送する信号により光強度変調を行う変調器と、
   該変調器より出る光を増幅する作用をもつ半導体装置よ
   りなる増幅器と、該変調器と該増幅器の間に光を断続で
   きるシャッタと、該変調器と該シャッタの動作を断続す
   る作用をもつタイミングコントローラとを有し、 該タイミングコントローラにより該変調器の能動状態と
   休止状態の切り換え制御、および該シャッタの断続の制
   御の内いずれか一方、または両方の制御を行い、 該変調器は、該発振器から該変調器、および該シャッタ
   を通過して該増幅器に達し該増幅器で増幅された光が、
   再び該シャッタ、および該変調器を通過して該発振器に
   戻る期間を休止状態とし、該シャッタは、該増幅器で増
   幅された光が該シャッタ、および該変調器を通過して該
   発振器に戻る期間と、該変調器が能動状態にある期間が
   一致する期間について遮断状態 として動作させるようにしたことを特徴とする光変調増
   幅装置。