(57)【要約】      （修正有）【課題】所望の消光比と、長距離ファイバ伝送との両立が可能な光送信装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ１３は、ベースバンド電気信号１１に従って直接変調され、搬送波の周波数が変調された変調光信号を出力する。光フィルタ１４は、非対称マッハツェンダ干渉計から成り、変調光信号の周波数変調成分を振幅変調信号に変換する。非対称マッハツェンダ干渉計のＦＳＲは、ＥＲを送信光信号１５の消光比、Ｐを変調光信号１７の強度で規格化した送信光信号１５の出力、Ｗを変調光信号１７のスペクトル半値幅、Ｓを送信光信号１５に含まれる残留側波帯の抑圧比、ｆ０を変調光信号１７のスペース光信号の光周波数ディチューニング、ｆｃを変調光信号１７のスペクトル中心周波数の光周波数ディチューニングとして、2010206768.tif 000016を満たす。【選択図】図１
2010206768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースバンド電気信号に従って直接変調され、搬送波の周波数が変調された変調光信号を出力する半導体レーザと、
前記変調光信号の周波数変調成分を振幅変調信号に変換し、送信光信号を出力する非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタとを備え、
前記非対称マッハツェンダ干渉計のフリー・スペクトラル・レンジ（ＦＳＲ）が、ＥＲを前記送信光信号の消光比、Ｐを非対称マッハツェンダ干渉計へ入力される前記変調光信号の強度で規格化した前記送信光信号の出力、Ｗを前記変調光信号のスペクトル半値幅、Ｓを前記送信光信号に含まれる残留側波帯の抑圧比、ｆ０を前記変調光信号のスペース光信号の光周波数ディチューニング、ｆｃを前記変調光信号のスペクトル中心周波数の光周波数ディチューニングとして、
【数１】
2010206768.tif 000014
を満たす光送信装置。
【請求項２】
前記非対称マッハツェンダ干渉計が、方向性結合器２個と、互いに長さが異なる２本の光導波路とを含む、請求項１に記載の光送信装置。
【請求項３】
前記方向性結合器の分岐比が、前記非対称マッハツェンダ干渉計の透過特性のダイナミックレンジが２０ｄＢ以上となるように与えられている、請求項２に記載の光送信装置。
【請求項４】
前記非対称マッハツェンダ干渉計のフリー・スペクトラル・レンジ（ＦＳＲ）が、前記２本の光導波路の長さの差で与えられている、請求項２又は３に記載の光送信装置。
【請求項５】
前記非対称マッハツェンダ干渉計が、平面光導波路回路で構成されている、請求項２乃至４の何れか一に記載の光送信装置。
【請求項６】
前記非対称マッハツェンダ干渉計が、前記半導体レーザとハイブリッド集積されている、請求項５に記載の光送信装置。
【請求項７】
前記非対称マッハツェンダ干渉計の前記半導体レーザが接続されていない側の一方のポートに接続された波長板と反射鏡とを更に有し、
前記非対称マッハツェンダ干渉計の２つのアームの間のＴＥ偏光に対する光路長差とＴＭ偏光に対する光路長差とが、前記半導体レーザの波長の（整数＋１／２）倍異なり、前記非対称マッハツェンダ干渉計の前記半導体レーザが接続された側のポートのうち、前記半導体レーザが接続されていないポートから光出力が取り出される、請求項１乃至６の何れか一に記載の光送信装置。
【請求項８】
前記非対称マッハツェンダ干渉計と前記半導体レーザとの間に、ＴＭ偏光成分を除去する偏光フィルタが挿入されている、請求項７に記載の光送信装置。
【請求項９】
前記反射鏡が、ループミラーとして構成されている、請求項７又は８に記載の光送信装置。
【請求項１０】
前記波長板が１／４波長板であり、該１／４波長板が前記非対称マッハツェンダ干渉計の前記半導体レーザが接続されていない側の一方のポートと、前記反射鏡との間に挿入されている、請求項７乃至９の何れか一に記載の光送信装置。
【請求項１１】
前記波長板が１／２波長板であり、該１／２波長板が前記ループミラーの中に挿入されている、請求項９に記載の光送信装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか一に記載の光送信装置と、該光送信装置に光伝送路で光学的に接続される光受信装置とを備える光通信システム。
【請求項１３】
ベースバンド電気信号を半導体レーザで直接変調して、搬送波の周波数が変調された変調光信号を生成し、
前記変調光信号の周波数変調成分を、非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタにて振幅変調信号に変換することで送信光信号を生成し、
前記非対称マッハツェンダ干渉計のフリー・スペクトラル・レンジ（ＦＳＲ）が、ＥＲを前記送信光信号の消光比、Ｐを非対称マッハツェンダ干渉計へ入力される前記変調光信号の強度で規格化した前記送信光信号の出力、Ｗを前記変調光信号のスペクトル半値幅、Ｓを前記送信光信号に含まれる残留側波帯の抑圧比、ｆ０を前記変調光信号のスペース光信号の光周波数ディチューニング、ｆｃを前記変調光信号のスペクトル中心周波数の光周波数ディチューニングとして、
【数１】
2010206768.tif 000015
を満たす光送信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信装置及び方法に関し、更に詳しくは、半導体レーザをベースバンド電気信号に従って直接変調する光送信装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ブロードバンド接続の普及に伴い、トラフィックが急速に増大しており、また、アクセス手段やサービスの多様化が進展しつつある。これに対応するため、光ファイバ通信網の整備が進められ、大容量通信網へのアップグレードが進行している。光ファイバ通信網の整備では、光ファイバの敷設コストは、その相当部分を占める。敷設コストを抑制するには、既存の光ファイバ網をそのまま使用することが好ましい。また、大容量化のために伝送速度を上げた場合でも、高価な分散補償ファイバの使用は避けるべきである。
【０００３】
例えば、現在商用化されている都市間の光ファイバ通信網の多くは、伝送速度が２．５Ｇｂ／ｓ、標準シングルモ−ドファイバ（ＳＭＦ）の伝送スパンが２００ｋｍ以下である。伝送速度を１０Ｇｂ／ｓにアップグレードするためには、分散耐力があり、かつ、分散補償ファイバなしでＳＭＦ２００ｋｍ程度の伝送が可能となる１０Ｇｂ／ｓ光送信装置を新たに実現する必要がある。
【０００４】
これまでに、１０Ｇｂ／ｓの光伝送技術として、いつくかの方式が開発されている。そのうちの１つに、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）光変調器を用いたデュオバイナリ伝送方式がある。この伝送方式は、分散耐力に優れる。しかし、ＬＮ光変調器のサイズが数ｃｍ以上と大きく、駆動電力も大きい。このために、ＸＦＰ（10Gbps(X)Form-factor Pluggable）などの小型モジュールに組み込むことができず、また、高価でもあることから、実用化が限られている。
【０００５】
小型かつ駆動電力が小さい光変調器として、半導体の電界光吸収効果を用いた半導体光変調器が開発されている。しかし、搬送波の周波数が時間的に変動するチャープ特性に起因して、半導体の電界光吸収効果を用いた半導体光変調器で、分散補償なしで伝送できる伝送距離は、ＳＭＦ４０ｋｍ〜８０ｋｍ程度が上限である。また、半導体の電界光吸収効果を用いた半導体光変調器では、使用できる波長範囲が狭いことから、高密度波長多重（ＤＷＤＭ）に使用すると、素子の選別・調整コストが高価になるといった問題がある。
【０００６】
一方、半導体レーザを直接変調すれば、上記の半導体光変調器よりも小型で、かつ、駆動電力を低くすることができる。また、外部変調器も不要であるから、低価格となる。しかし、半導体レーザの直接変調では、過渡的な周波数チャープが大きいという問題があり、ファイバ分散があることで、ＳＭＦ１０ｋｍ程度の伝送が限界であった。この過渡的な周波数チャープは、半導体レーザを大振幅で直接変調した場合に半導体レーザ内部のキャリア密度と光子密度が過渡的に変動することに起因して発生する。
【０００７】
上記問題を解消するためには、半導体レーザを、直流電流を印加することでしきい値の数倍に高バイアスして小信号変調すればよい。しかし、半導体レーザを小信号変調すると、出力光信号の消光比が小さくなるために、長距離の光ファイバ伝送には使用できないという別の問題が生じる。
【０００８】
そこで、半導体レーザから出力されている変調光信号が周波数変調されていることを利用し、消光比を改善する方式が提案されている（特許文献１〜３、非特許文献１）。図２１は、光フィルタを用いた光送信装置の基本的構成を示している。半導体レーザ２０２は、データ信号２０１に従った変調電流で、直接変調される。この光送信装置は、変調された光信号を、光フィルタ２０３の透過特性のスロープを利用して消光比を改善する。この方式では、同時に光信号のスペクトル幅も半減されるため、デュオバイナリ変調方式と同等の分散耐力を得ることができ、分散補償なしでＳＭＦ２００ｋｍ以上の伝送が実証されている（非特許文献１）。
【０００９】
非特許文献１にあるように、上記方式においては、１０Ｇｂ／ｓにおける周波数変調量、すなわち、スペース（“０”）符号に対するマーク（“１”）符号の周波数シフトは、ファイバ分散との関係で４．５〜５ＧＨｚが最適な値である。従って、光信号として必要とされる消光比１０ｄＢ以上を得るためには、光フィルタ２０３のスロープを２ｄＢ／ＧＨｚ程度にしなければならない。非特許文献１では、誘電体多層膜で構成されたエタロン共振型光フィルタを用いて、光フィルタの透過特性を最適化し大きなスロープを得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特公平８−１０８４８号公報
【特許文献２】特許第３７６８９４０号公報
【特許文献３】米国特許第６９６３６８５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】アイ・トリプル・イー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ誌、第１８巻、３８５−３８７頁（IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No.2, JANUARY 15,  2006, pp.385-387）
【非特許文献２】Ｇ．Ｐ．アグラワール著、非線形ファイバ光学（吉岡書店、物理学叢書）、７１−７７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、誘電体多層膜で構成されたエタロン共振型光フィルタは、サイズが大きい上に、半導体レーザとの光軸合せが必要であり、更に、半導体レーザとの間に反射を防ぐための光アイソレータを挿入する必要がある。従って、光送信装置の更なる小型化及び低価格化には、より小型で、かつ、アイソレータなしで半導体レーザとのハイブリッド集積化が可能な光フィルタが必要とされる。
【００１３】
平面光導波路回路（ＰＬＣ）上に構成された単一のリング共振型光フィルタは、小型であり、かつ、半導体レーザと導波路構造が類似することから、ハイブリッド集積化することで光軸合せが不要となる。更に、そのドロップ・ポートを使用すれば、アイソレータも不要である。ただし、ＰＬＣでは、誘電体多層膜のように製造工程を工夫することでフィルタ透過特性の最適化ができないため、１０Ｇｂ／ｓ用のリング共振型光フィルタにおけるドロップ・ポートの透過特性のスロープは、約１ｄＢ／ＧＨｚと小さな値とならざるを得ない。すなわち、単一のリング共振型光フィルタのドロップ・ポートを用いて消光比１０ｄＢ以上を得るためには、周波数変調量を１０ＧＨｚ程度としなければならない。この場合、周波数変調量が最適値の約２倍となり、スペース符号に対するマーク符号の周波数シフトが大きくなるために発生する周波数チャープがファイバ分散の影響を受け、伝送距離が著しく低減する問題があった。
【００１４】
また、スペース符号に対するマーク符号の周波数シフトを５ＧＨｚとすると、消光比１０ｄＢを得るために振幅変調の効果を５ｄＢ分重畳する必要がある。そのためには、半導体レーザの直流バイアスを下げ、大信号変調に近い動作点で直接変調する必要がある。これでは、前述のように、過渡的な周波数チャープが大きくなり、結果として長距離のファイバ伝送ができない。すなわち、単一のリング共振型光フィルタのドロップ・ポートを用いた方式では、消光比の改善と伝送距離の長距離化を両立させることが困難であった。
【００１５】
本発明は、上記に鑑み、所望の消光比と長距離ファイバ伝送との両立が可能な光送信方法及び光送信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の光送信装置は、ベースバンド電気信号に従って直接変調され、搬送波の周波数が変調された変調光信号を出力する半導体レーザと、前記変調光信号の周波数変調成分を振幅変調信号に変換し、送信光信号を出力する非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタとを備え、前記非対称マッハツェンダ干渉計のフリー・スペクトラル・レンジ（ＦＳＲ）が、ＥＲを前記送信光信号の消光比、Ｐを非対称マッハツェンダ干渉計へ入力される前記変調光信号の強度で規格化した前記送信光信号の出力、Ｗを前記変調光信号のスペクトル半値幅、Ｓを前記送信光信号に含まれる残留側波帯の抑圧比、ｆ０を前記変調光信号のスペース光信号の光周波数ディチューニング、ｆｃを前記変調光信号のスペクトル中心周波数の光周波数ディチューニングとして、
【数１】
2010206768.tif 000003
を満たすことを特徴とする。
【００１７】
本発明の光通信システムは、本発明の光送信装置と、該光送信装置に光伝送路を介して光学的に接続された光受信装置とを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の光送信方法は、ベースバンド電気信号を半導体レーザで直接変調して、搬送波の周波数が変調された変調光信号を生成し、前記変調光信号の周波数変調成分を、非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタにて振幅変調信号に変換することで送信光信号を生成し、前記非対称マッハツェンダ干渉計のフリー・スペクトラル・レンジ（ＦＳＲ）が、ＥＲを前記送信光信号の消光比、Ｐを非対称マッハツェンダ干渉計へ入力される前記変調光信号の強度で規格化した前記送信光信号の出力、Ｗを前記変調光信号のスペクトル半値幅、Ｓを前記送信光信号に含まれる残留側波帯の抑圧比、ｆ０を前記変調光信号のスペース光信号の光周波数ディチューニング、ｆｃを前記変調光信号のスペクトル中心周波数の光周波数ディチューニングとして、
【数１】
2010206768.tif 000004
を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の光送信装置及び方法は、所望の消光比と、長距離光ファイバ伝送とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態の光送信装置を用いた光通信システムの基本的構成を示すブロック図。
【図２】光周波数と光強度との関係を示すグラフ。
【図３】第一実施例で用いる、非対称マッハツェンダ干渉計からなる光フィルタの概略的構造を示す模式的な平面図。
【図４】（Ａ）は、変調光信号の振幅波形を示すグラフ、（Ｂ）は同じく周波数変調波形を示すグラフ。
【図５】（Ａ）は送信光信号のバック・トゥー・バック（Ｂ２Ｂ）アイパターン、（Ｂ）は８０ｋｍ伝送後のアイパターン、（Ｃ）は１００ｋｍ伝送後のアイパターン、（Ｄ）は１５０ｋｍ伝送後のアイパターン。
【図６】（Ａ）は、変調光信号のスペクトルと非対称マッハツェンダ干渉計からなる光フィルタの透過特性との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、送信光信号のスペクトルと非対称マッハツェンダ干渉計からなる光フィルタの透過特性との関係を示すグラフ。
【図７】（Ａ）は送信光信号のバック・トゥー・バック（Ｂ２Ｂ）アイパターン、（Ｂ）は８０ｋｍ伝送後のアイパターン、（Ｃ）は１００ｋｍ伝送後のアイパターン、（Ｄ）は１５０ｋｍ伝送後のアイパターン。
【図８】（Ａ）は、変調光信号のスペクトルと非対称マッハツェンダ干渉計からなる光フィルタの透過特性との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、送信光信号のスペクトルと非対称マッハツェンダ干渉計からなる光フィルタの透過特性との関係を示すグラフ。
【図９】（Ａ）は送信光信号のバック・トゥー・バック（Ｂ２Ｂ）アイパターン、（Ｂ）は８０ｋｍ伝送後のアイパターン、（Ｃ）は１００ｋｍ伝送後のアイパターン、（Ｄ）は１５０ｋｍ伝送後のアイパターン。
【図１０】（Ａ）は、変調光信号のスペクトルと非対称マッハツェンダ干渉計からなる光フィルタの透過特性との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、送信光信号のスペクトルと非対称マッハツェンダ干渉計からなる光フィルタの透過特性との関係を示すグラフ。
【図１１】光周波数ディチューニングｆ０に対する光出力と消光比との関係を示すグラフ。
【図１２】方向性結合器の分岐比と、非対称マッハツェンダ干渉計のダイナミックレンジ及び送信光信号の光出力との関係を示すグラフ。
【図１３】第二実施例で用いる、非対称マッハツェンダ干渉計と波長板と反射鏡とから成る光フィルタの概略的構造を示す模式的な平面図。
【図１４】図１３に示す構成に加えてＴＭ偏光に対するフィルタを有する光フィルタを示す模式的な平面図。
【図１５】図１３のＡ−Ｂの位置における断面構造を示す図。
【図１６】導波路幅に対する規格化した構造複屈折率を示すグラフ。
【図１７】光周波数と透過率との関係を示すグラフ。
【図１８】変調光信号と送信光信号のスペクトルを示す図。
【図１９】送信光信号のバック・トゥー・バック（Ｂ２Ｂ）アイパターン。
【図２０】（Ａ）は１００ｋｍ伝送後のアイパターン、（Ｂ）は１５０ｋｍ伝送後のアイパターン、（Ｃ）は２００ｋｍ伝送後のアイパターン。
【図２１】光フィルタを用いた光送信装置の基本的構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の光通信システムの機能的構成を示している。光送信装置１０は、駆動回路１２、半導体レーザ１３、及び、非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタ１４を有する。光送信装置１０と光受信装置２０とは、光ファイバ等の光伝送路３０を介して接続されている。
【００２２】
駆動回路１２は、ベースバンド電気信号１１を入力し、変調電流１６を生成する。半導体レーザ１３は、発振しきい値よりも大きい直流バイアス電流に重畳された変調電流で直接変調される。このとき、半導体レーザ１３が出力する変調光信号１７は、半導体レーザ１３の活性層の非線形利得及びプラズマ振動の効果で、周波数変調される。
【００２３】
半導体レーザ１３が出力する周波数変調された変調光信号１７は、非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタ１４へ入力される。光フィルタ１４は、変調光信号１７の周波数変調成分を振幅変調光信号へ変換する。光フィルタ１４は、振幅変調に変換された送信光信号（振幅変調光信号）１５を、光伝送路３０へ送出する。
【００２４】
光送信装置１０が出力する送信光信号１５は、光伝送路３０を伝搬した後、光受信装置２０へ入力される。光受信装置２０は、光伝送路３０から受信した送信光信号を電気信号に変換する受光素子と、受光素子が出力する受信信号の処理を行う電子回路とを有する。
【００２５】
図２は、光周波数と光強度との関係を示している。横軸は、光周波数を表し、縦軸は、光強度の対数を表す。図２にて、破線は、半導体レーザ１３が出力する変調光信号１７の光周波数スペクトルを表し、一点鎖線は、非対称マッハツェンダ干渉計で構成される光フィルタ１４の透過特性を表す。また、実線は、送信光信号１５の周波数スペクトルを表す。送信光信号１５のスペクトルは、変調光信号１７のスペクトルにおける低周波側の成分が、光フィルタ１４の透過特性で抑圧されることで形成される。
【００２６】
送信光信号１５のスペクトルは、主信号１５１と、残留側波帯１５２とから成る。主信号１５１は、ベースバンド電気信号１１のファイバ伝送に寄与する。一方、残留側波帯１５２は、光ファイバの分散効果に起因して、伝送信号品質の劣化をもたらす。伝送信号品質の劣化を抑えるためには、残留側波帯１５２を必要十分に抑圧する必要がある。図２で、抑圧比Ｓは、残留側波帯１５２の光強度が最大となる光周波数における光フィルタ１４の透過率で与えられる。
【００２７】
変調光信号１７の光周波数スペクトルは、ベースバンド電気信号１１で最も短時間に変化する信号成分のフーリエ変換に、半導体レーザ１３のダイナミクスに起因して発生する周波数変調及び周波数チャープの効果が重畳されたスペクトル形状となる。ここで、ベースバンド電気信号１１で最も短時間に変化する近接する３ビットの信号パターンは、０１０又は１０１である。これら信号パターンは、それぞれ１／８の確率で現れる。
【００２８】
半導体レーザ１３が小信号変調動作であり、非線形利得や寄生容量の効果に起因する変調帯域がベースバンド電気信号１１のビットレートに近い場合、半導体レーザ１３の緩和振動周波数の波形は、ビットレートの逆数を半値幅とするガウス関数で近似することができる。例えば、ビットレートが１０Ｇｂ／ｓの場合、０１０の信号パターンに相当するパルス波形は、半値幅１００ピコ秒のガウス波形で近似でき、フーリエ変換限界（非特許文献２）の場合は、周波数スペクトルの形状もガウス関数となりその半値幅は４．４ＧＨｚである。
【００２９】
変調光信号１７は、周波数変調されるため、変調光信号１７のスペクトル半値幅Ｗは、フーリエ変換限界の値よりも大きくなる。図２中に示したスペース（“０”）、マーク（“１”）は、周波数変調を受けた半導体レーザ１３からの変調光信号１７のスペース（“０”）、マーク（“１”）に対応する光周波数の平均値である。また、図２に示すｆ０は、変調光信号１７のスペース（“０”）光信号の周波数と光フィルタ１４の透過率が最小となる周波数との差（ディチューニング）であり、ｆｃは、変調光信号１７のスペクトル中心周波数と光フィルタ１４の透過率が最小となる周波数との差（ディチューニング）である。消光比ＥＲは、変調光信号１７のスペース（“０”）、マーク（“１”）に対応する光周波数の平均値における光フィルタ１４の透過率で与えられる。
【００３０】
半導体レーザ１３から出力される変調光信号１７の周波数スペクトルＩ（ｆ）は、その形状がガウス関数で近似できる場合、下記式１で表される。
【数２】
2010206768.tif 000005
ただし、Ｗは、変調光信号１７のスペクトル半値幅である。
【００３１】
また、非対称マッハツェンダ干渉計で構成される光フィルタ１４の透過特性Ｈ（ｆ）は、干渉計の損失が無視でき、かつ、干渉計を構成する分波器・合波器の分岐比が０．５の場合、下記式２で表される。
【数３】
2010206768.tif 000006
式２におけるＦＳＲは、非対称マッハツェンダ干渉計のフリー・スペクトラル・レンジであり、透過率が最小となる周波数を原点としている。
【００３２】
上記式２において、ｃｏｓｉｎｅ関数をｆ＝０近傍での冪乗展開で近似すると、光フィルタ１４から出力される残留側波帯のスペクトルＰｓ（ｆ）は、下記式３で表される。
【数４】
2010206768.tif 000007
【００３３】
Ｐｓ（ｆ）が最大となる周波数を計算し、これを冪乗展開で近似した非対称マッハツェンダ干渉計の透過特性Ｈ（ｆ）に代入することで、非対称マッハツェンダ干渉計が抑圧する残留側波帯の抑圧量が高品質な光信号のファイバ伝送に必要な抑圧比Ｓより大きくなる条件を求めると、条件式は、次式４で表される。
【数５】
2010206768.tif 000008
【００３４】
一方、図２から、変調光信号１７のスペース（“０”）光信号の周波数と、マーク（“１”）の変調光信号１７の周波数について、式２を計算することで、消光比ＥＲと光出力Ｐとを満たすための条件を求めると、条件式は、下記式５で表される。
【数６】
2010206768.tif 000009
ここで、光出力Ｐは、送信光信号１５の主信号１５１の光強度を、光フィルタ１４に入力した変調光信号１７の光強度で規格化した値である。
【００３５】
式４及び式５より、高い光出力及び消光比を得つつ残留側波帯を十分に抑えて高品質な光ファイバ伝送を実現するために光フィルタ１４が満たすべきＦＳＲの条件は、下記式６で表される。
【数７】
2010206768.tif 000010
【００３６】
本実施形態では、半導体レーザ１３は、ベースバンド電気信号１１に従って直接変調され、搬送波の周波数が変調された変調光信号１７を出力する。光フィルタ１４は、非対称マッハツェンダ干渉計で構成され、変調光信号１７の周波数変調成分を振幅変調信号に変換し、送信光信号１５を出力する。非対称マッハツェンダ干渉計のフリー・スペクトラル・レンジ（ＦＳＲ）は、式６の関係式を満たす。このようなＦＳＲを有する光フィルタ１４を用いることで、所望の光出力と所望の消光比とを得られるとともに、残留側波帯を十分に抑えることができる。従って、本実施形態では、消光比の向上及び高品質な長距離光ファイバ伝送を両立することができる。
【００３７】
以下、実施例を用いて説明する。まず、第一実施例について説明する。変調光信号１７は、ビットレート１０Ｇｂ／ｓの２値ベースバンド電気信号１１を用いてコード化され、マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタ１４に入力される。ベースバンド２値信号は、２値のＮＲＺ（Non Return Zero）信号である。第一実施例では、波長１．５μｍ帯で、伝送容量１０Ｇｂ／ｓの信号をファイバ伝送することができる。光伝送路３０には、分散値１７ｐｓｅｃ／ｎｍ／ｋｍの標準シングルモード・ファイバを用いる。光伝送路３０の長さは、８０ｋｍ乃至１５０ｋｍで、光伝送路３０では分散の補償は行っていない。ベースバンド電気信号１１のビットレートは、１０Ｇｂ／ｓには限られず、２．５Ｇｂ／ｓや４０Ｇｂ／ｓでもよい。
【００３８】
ビットレート１０Ｇｂ／ｓの２値のベースバンド電気信号１１は、駆動回路１２に入力される。半導体レーザ１３は、駆動回路１２が出力する変調電流１６で、直接変調される。非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタ１４は、半導体レーザ１３が出力する変調光信号１７の周波数変調成分を振幅変調光へ変換し、送信光信号１５を出力する。この送信光信号１５は、ビットレート１０Ｇｂ／ｓの２値のベースバンド電気信号１１を用いてコード化された信号である。
【００３９】
半導体レーザ１３は、直流バイアス回路から、発振しきい値より大きい直流電流が加えられており、直流電流に重畳して印加される変調電流１６で直接変調される。半導体レーザ１３には、市販の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を使用することができる。具体的には、半導体レーザ１３には、両端面が無反射コート処理されたλ／４シフト分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を用いることができる。半導体レーザ１３における各パラメータについては、共振器長が３００μｍ、グレーティング結合定数κが７０００ｍ−１、活性層幅が２μｍ、活性層厚が０．０５μｍ、光閉じ込め係数が０．１、αパラメータが４、微分利得係数が６．５×１０−２０ｍ２、非線形利得係数が４．５×１０−２３ｍ３、共振器内部損失が３０００ｍ−１とする。
【００４０】
なお、上記の各パラメータは、設計例の１つである。各パラメータは、光通信システムの仕様や光送信装置１０の特性に合わせて設計すればよいので、通常の多層の量子井戸或いは歪量子井戸構造を活性層とした分布帰還型半導体レーザとして実現することのできる範囲内において、上記に例示した値以外の値としてもよい。なお、駆動回路１２の帯域は、遮断周波数を１０ＧＨｚとしている。
【００４１】
図３は、本発明の第一実施例で用いる、非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタ１４の概略的構造を、模式的に示している。光フィルタ１４は、リング共振型の光フィルタである。光フィルタ１４は、２個の方向性結合器１４２、１４５と、互いに長さが異なる２つの導波路１４３、１４４とを有する。光フィルタ１４は、シリコン基板上に形成された酸化・窒化シリコン（ＳｉＯＮ）層をコア、酸化シリコン（ＳｉＯ２）をクラッド層とした平面光導波路回路（ＰＬＣ）として構成される。
【００４２】
光入力部１４１に入力された光信号は、第１の方向性結合器１４２で２分岐され、短い導波路１４３と長い導波路１４４に導かれる。短い導波路１４３と長い導波路１４４とのそれぞれを用いて導波された光信号は、第２の方向性結合器１４５で合波され、光出力部１４６から出力される。
【００４３】
ここで、非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタ１４のフリー・スペクトラル・レンジ（ＦＳＲ）は、短い導波路１４３と長い導波路１４４との光信号の伝播時間差の逆数で与えられる。第一実施例では、光フィルタ１４のＦＳＲは、１５乃至５０ＧＨｚ、第１の方向性結合器１４２及び第２の方向性結合器１４５のパワー分岐比は、０．５とし、導波路の伝播損失は無視している。
【００４４】
非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタ１４は、誘電体多層膜から成る面入射型の光フィルタとは異なり、原理的に、反射光が光入力部１４１に戻ることはない。このため、半導体レーザ１３と光フィルタ１４との間の光アイソレータが不要となり、装置の小型化及び低価格化が可能となる。また、フリップ・チップ実装等、シリコン基板上のＰＬＣと半導体レーザとの自動組立技術を用いて、半導体レーザ１３とリング共振型光フィルタ１４とのハイブリッド集積も可能である。
【００４５】
以下、具体的な計算結果に基づいて、第一実施例の動作を説明する。以下に、分布帰還型半導体レーザの動作を単一モードのレート方程式で近似し、スプリット・ステップ・フーリエ法を用いて光ファイバ伝送特性を解析した計算結果を示す。また、光送信装置１０の仕様は、送信光信号１５の消光比を１０ｄＢ、ＳＭＦ伝送距離を８０乃至１５０ｋｍとする。
【００４６】
半導体レーザ１３を直接変調する場合、その出力である変調光信号１７は、変調電流１６を増加すると、高周波側へ周波数シフトする。ファイバ分散の観点から、スペース符号の光周波数とマーク符号の光周波数との周波数差Δｆの最適値は、４〜５ＧＨｚ以下である。これは、１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号の０１０パターンに相当する時間幅１００ピコ秒の光パルスのフーリエ変換限界となるスペクトル幅は４．４ＧＨｚであり、これより大きな周波数シフトを加えると、過剰なファイバ分散の影響を受けるからである（非特許文献２）。
【００４７】
また、半導体レーザ１３は、消光比１０ｄＢを得るために、スペース符号時の搬送波周波数が、光フィルタ１４の透過が最小となる周波数より１〜３ＧＨｚ程度高周波数側になるように直流バイアスされる。従って、マーク符号時の搬送波周波数は、それよりマーク／スペースの周波数差Δｆ分だけ高周波側に位置することになることから、非対称マッハツェンダ干渉計から成る光フィルタ１４が行う分散補償の効果はほとんどない。
【００４８】
第一実施例では、半導体レーザ１３の変調電流１６の電流振幅を１６ミリアンペアとし、半導体レーザ１３の直流バイアスを、スペース符号時の電流値として８０ミリアンペアとした。図４（Ａ）は、変調光信号１７の振幅波形を示し、図４（Ｂ）は、同じく周波数変調波形を示している。同図を参照すると、非線形利得、及び、駆動回路１２の帯域制限の効果に起因して、緩和振動及び過渡的周波数チャープがほとんどない波形であることがわかる。また、図４（Ｂ）を参照すると、マーク／スペースの周波数差Δｆは、約５ＧＨｚであることがわかる。
【００４９】
図５（Ａ）〜（Ｄ）は、非対称マッハツェンダ干渉計のＦＳＲを５０ＧＨｚとした場合の送信光信号１５のアイパターンを示している。図５（Ａ）は、送信光信号１５のバック・トゥー・バック（Ｂ２Ｂ）アイパターンを示し、図５（Ｂ）は、８０ｋｍ伝送後のアイパターンを示している。図５（Ｃ）は、１００ｋｍ伝送後のアイパターンを示し、図５（Ｄ）は、１５０ｋｍ伝送後のアイパターンを示している。
【００５０】
図６（Ａ）は、変調光信号１７のスペクトルと光フィルタ１４の透過特性との関係を示し、図６（Ｂ）は、送信光信号１５のスペクトルと光フィルタ１４の透過特性との関係を示している。図６（Ａ）を参照すると、第一実施例の動作条件では、変調光信号１７のスペクトルは、半値幅５ＧＨｚのガウス曲線で近似できることがわかる。この半値幅は、半導体レーザ１３が緩和振動や過渡的チャープがない条件で動作しているときには、ビットレートＢ及びマーク／スペースの周波数差Δｆとの間で、下記式７を満たす。
【数８】
2010206768.tif 000011
の上限は、マーク／スペースの周波数差Δｆがガウス関数の時間応答として与えられた場合、下限は、フーリエ変換限界である。第一実施例の動作条件は、式７を満たしている。
【００５１】
また、図６（Ｂ）を参照すると、５０ＧＨｚ程度のＦＳＲの値を用いることで、残留側波帯１５２を２５ｄＢ（抑圧比３２０に相当）以上低減できることがわかる。その結果、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、Ｂ２Ｂでの消光比１０ｄＢを確保しつつ、１５０ｋｍまで、ほぼペナルティのない高品質なファイバ伝送が可能である。
【００５２】
しかしながら、ＦＳＲを５０ＧＨｚとした場合、図６（Ａ）からわかるように、主信号１５１（図２）の成分も減衰を受ける。第一実施例では、送信光信号１５の平均パワーは約１．７ｍとなり、トランシーバ・モジュール等に組み立てたときの光学損失を考慮すると、実用上不十分である。送信光信号１５を高出力化するためにはＦＳＲを小さくすればよいが、ＦＳＲを小さくすると、同時に残留側波帯１５２の抑圧比も低下する。従って、ＦＳＲは、高い送信光信号１５の出力と、十分な残留側波帯１５２の抑圧との双方を満たすように選定することが望ましい。
【００５３】
上記式６に、第一実施例に対応するｆ０＝２．５ＧＨｚ、ｆｃ＝５ＧＨｚ、ＥＲ＝１０、Ｐ＝０．５、Ｓ＝３２、＝５ＧＨｚを代入すると、下記式８が得られる。
５０ＧＨｚ≧ＦＳＲ≧２５ＧＨｚ      （８）
ここで、変調光信号のスペクトル中心周波数の光周波数ディチューニングｆｃは、変調光信号１７のスペクトル半値幅との関係で、下記式９で与えられる。
【数９】
2010206768.tif 000012
【００５４】
式８を参照すると、高出力化のために、ＦＳＲは２５ＧＨｚまで小さくすることができることがわかる。図７（Ａ）〜（Ｄ）に、ＦＳＲを２５ＧＨｚとしたときの送信光信号のアイパターンを示す。また、図８（Ａ）に、ＦＳＲを２５ＧＨｚとしたときの変調光信号１７のスペクトルと光フィルタ１４の透過特性との関係を示し、図８（Ｂ）に、送信光信号１５のスペクトルと光フィルタ１４の透過特性との関係を示す。ＦＳＲを２５ＧＨｚとした場合、図８からわかるように、残留側波帯の抑圧比Ｓとして５９（１８ｄＢ）を得つつ、光フィルタ１４の透過損失を大幅に低減できる。すなわち、Ｂ２Ｂの消光比として１０ｄＢを実現し、送信光信号１５の平均光パワーとして５．５ｍを実現できると共に、１５０ｋｍまでほぼペナルティのない高品質なファイバ伝送を実現することができる。
【００５５】
比較例として、図９（Ａ）〜（Ｄ）に、ＦＳＲを１５ＧＨｚとしたときの送信光信号のアイパターンを示す。また、図１０（Ａ）に、ＦＳＲを１５ＧＨｚとしたときの変調光信号１７のスペクトルと光フィルタ１４の透過特性との関係を示し、図１０（Ｂ）に、送信光信号１５のスペクトルと光フィルタ１４の透過特性との関係を示す。ＦＳＲ＝１５ＧＨｚは、式８の条件を満たさない条件である。
【００５６】
ＦＳＲが、式８の関係式を満たさない場合は、残留側波帯の抑圧が不十分となる。図１０を参照すると、ＦＳＲが１５ＧＨｚの場合は、残留側波帯の抑圧比は９．５（９．８ｄＢ）しか得られない。ＦＳＲの値が小さいことで、送信光信号１５の平均光パワーは約８．９ｍまで上昇する。しかし、残留側波帯の抑圧が不十分なために、図９に示すように、伝送距離８０ｋｍ（Ｂ）で著しい波形劣化が生じ、１００ｋｍを超える高品質な光信号のファイバ伝送は困難となる。以上から、抑圧比Ｓとして４０（１６ｄＢ）以上としておけば、残留側波帯に起因する信号品質の劣化がないファイバ伝送が可能であると結論される。
【００５７】
図１１は、ＦＳＲ＝２５ＧＨｚとしたときの、変調光信号１７のスペース光信号の光周波数ディチューニングｆ０と、光出力及び消光比との関係を示している。図１１を参照すると、光出力と消光比とがトレードオフの関係にあることがわかる。式５を変形することで、式１０が得られる。
【数１０】
2010206768.tif 000013
式１０に、Ｐ＝０．５、ＥＲ＝１０、ＦＳＲ＝２５ＧＨｚを代入すると、下記式１１が得られる。
ｆ０≧１．３ＧＨｚ      （１１）
図１１を参照すると、第一実施例においては、高い消光比と光出力を得るための式１１の条件を満たすことがわかる。
【００５８】
図１２は、光フィルタ１４内の方向性結合器の分岐比と、非対称マッハツェンダ干渉計のダイナミックレンジ及び送信光信号１５の光出力との関係を示している。非対称マッハツェンダ干渉計の第１の方向性結合器１４２又は第２の方向性結合器１４５の分岐比が０．５ではないとき、或いは、長い導波路１４４の損失が大きいことにで等価的に方向性結合器の分岐比が０．５からずれたとき、非対称マッハツェンダ干渉計のダイナミックレンジ及び送信光信号１５の光出力は、分岐比に応じて、図１２に示すように変化する。
【００５９】
ここで、非対称マッハツェンダ干渉計のダイナミックレンジは、透過光強度の最大値と最小値との比で定義されており、図１２の横軸は、片方の方向性結合器の分岐比をパラメータとしている。長い導波路１４４の損失は、方向性結合器の分岐比で置き換えることができる。
【００６０】
図１２を参照すると、ダイナミックレンジが２０ｄＢ以上ならば光出力の低下はほとんどないことがわかる。光フィルタ１４の方向性結合器の分岐比は、ダイナミックレンジが２０ｄＢ以上となるような分岐比に選定しておくことが望ましい。例えば、非対称マッハツェンダ干渉計において、長い導波路１４４の損失が無視できない場合は、何れかの方向性結合器の分岐比を、２０ｄＢ以上のダイナミックレンジが実現できる分岐比に調整すればよい。
【００６１】
次いで、第二実施例について説明する。図１３は、本発明の第二実施例で用いる光フィルタの概略的構造を、模式的に示している。光フィルタ１８は、非対称マッハツェンダ干渉計１４と、波長板１８５と、反射鏡１８６とを含む。光フィルタ１８は、入力ポート１８１に、半導体レーザ１３からの変調光信号１７が入力され、出力ポート１８２から送信光信号１５を出力する。
【００６２】
光フィルタ１８を構成する非対称マッハツェンダ干渉計１４は、第一の方向性結合器１４２と、第二の方向性結合器１４５と、２つのアームを構成する短い導波路１４３及び長い導波路１４４とから成る。長い導波路１４４は、導波路幅がテーパ状に一旦拡がった後に、再び元の幅にテーパ状に狭くなる構造を持つ。波長板１８５は、１／４波長板である。反射鏡１８６は、ループミラーである。
【００６３】
光フィルタ１８は、第一実施例と同様、平面光導波路回路（ＰＬＣ）として構成することができ、半導体レーザ１３とハイブリッド集積することも可能である。平面光導波路回路は、例えば、シリコン基板上に形成されたＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどの材料の組み合わせで作成することができる。
【００６４】
第二実施例における基本動作の原理を説明する。半導体レーザ１３からの変調光信号１７はＴＥ偏光であり、入力ポート１８１を通って非対称マッハツェンダ干渉計１４に入力する光信号もＴＥ偏光である。非対称マッハツェンダ干渉計１４は、ＴＥ偏光に対する光フィルタとして動作し、変調光信号１７の周波数変調成分を振幅変調光信号へ変換して、第一の導波路１８３から、変換された振幅変調光を出力する。この第一の導波路１８３から出力される光信号は、上述の第一実施例において光出力部１４６（図３）から出力される送信光信号１５と同じものである。このとき、第二の導波路１８４からは、ＴＥ偏光に対する光フィルタで除去された不要なスペクトル成分が出力される。この光は、半導体レーザ１３へＴＥ偏光成分として戻らないように、第二の導波路１８４で無反射終端される。
【００６５】
第一の導波路１８３から出力されたＴＥ偏光の振幅変調光は、１／４波長板１８５を通った後、ループミラー１８６で全反射される。全反射された光は、再び１／４波長板１８５を通ることで、偏光がＴＭ偏光へ回転する。ＴＭ偏光となった振幅変調光は、ＴＥ偏光の振幅変調光とは伝搬方向が反対となり、第一の導波路１８３から非対称マッハツェンダ干渉計１４へ再び入力される。非対称マッハツェンダ干渉計１４は、ＴＭ偏光に対する光フィルタとして動作し、振幅変調光の周波数変調成分を重畳的に振幅変調光信号へ変換し、変換された振幅変調光を出力ポート１８２から出力する。
【００６６】
なお、図１３では、波長板１８５を１／４波長板で構成し、反射鏡１８６をループミラーで構成しているが、これには限定されない。波長板１８５を１／２波長板で構成し、ループミラー１８６の入射側に１／４波長板１８５を配置するのに代えて、ループミラー１８６中に１／２波長板を配置した構成とすることも可能である。また、反射鏡１８６はループミラーに限らず、導波路端面を形成し、誘電体や金属等で構成される平面反射鏡を、その導波路端面に形成することで実現してもよい。
【００６７】
第二実施例では、非対称マッハツェンダ干渉計１４の２つのアームの間のＴＥ偏光に対する光路長差と、ＴＭ偏光に対する光路長差とは、波長の（整数＋１／２）倍異なるように設定されている。この場合、非対称マッハツェンダ干渉計１４は、ＴＥ偏光に対してクロス状態（図１３において、入力ポート１８１から入力した光信号の全てが第一の導波路１８３から出力される状態）で動作している場合は、ＴＭ偏光に対してはバー状態（図１３において、入力ポート１８１から入力した光信号の全てが第二の導波路１８４から出力される状態）で動作する。一方、ＴＥ偏光に対してバー状態の場合は、ＴＭ偏光に対してはクロス状態となる。
【００６８】
非対称マッハツェンダ干渉計１４を通ったＴＭ偏光の振幅変調光は、入力ポート１８１ではなく出力ポート１８２から出力される。このように、非対称マッハツェンダ干渉計１４を往復させることで、一つの非対称マッハツェンダ干渉計を用いて、非対称マッハツェンダ干渉計を２段直列に接続したことと等価な効果が得られる。
【００６９】
ところで、非対称マッハツェンダ干渉計１４がＴＭ偏光に対する光フィルタとして動作することで除去された不要なスペクトル成分は、入力ポート１８１から半導体レーザ１３へ戻ることになる。しかしながら、この戻り光はＴＭ偏光であり、半導体レーザ１３の発振光のＴＥ偏光とは直交するため、戻り光が与える半導体レーザ１３の動作への影響は小さい。戻り光の影響を除去するためには、入力ポート１８１の前に、ＴＭ偏光成分を除去するモードフィルタ（偏光フィルタ）を挿入すればばよい。図１４は、モードフィルタを有する光フィルタを示している。モードフィルタ（偏光フィルタ）１８７は、非対称マッハツェンダ干渉計１４と入力ポート１８１との間に挿入されている。偏光フィルタ１８７は、導波路のクラッド層上部に金属膜を配置することでＴＭ偏光を吸収させるものであってもよく、或いは、マッハツェンダ干渉計、方向性結合器、光分岐合波回路等から構成される偏光ビームスプリッターであってもよい。
【００７０】
続いて、非対称マッハツェンダ干渉計１４の２つのアームの間のＴＥ偏光に対する光路長差と、ＴＭ偏光に対する光路長差とが、波長の（整数＋１／２）倍異なるように設定するための指針について説明する。図１５は、図１３のＡ−Ｂの位置での非対称マッハツェンダ干渉計１４の断面を示している。シリコン基板１７１上にＳｉＯ２クラッド層１７２が形成され、ＳｉＯ２クラッド層１７２に、長い導波路１４４及び短い導波路１４３を構成するＳｉＯＮコア層１７３が埋め込まれている。長い導波路１４４の導波路幅Ｗ２は、短い導波路１４３の導波路幅Ｗ１より広い。
【００７１】
ここで、導波路幅が導波路厚と等しいとき、ＴＥ偏光の伝搬定数とＴＭ偏光の伝搬定数とは等しい。一方、導波路幅が導波路厚よりも広い場合は、ＴＥ偏光はシリコン基板と平行な方向に電界が偏光するため実効屈折率が大きくなり、伝搬定数が小さくなることで構造複屈折率が生じる。この構造複屈折率の大きさは、１〜５×１０−４程度である。この構造複屈折率を利用することで、２つのアーム、すなわち、短い導波路１４３と長い導波路１４４との間のＴＥ偏光に対する光路長差と、ＴＭ偏光に対する光路長差とを、波長の（整数＋１／２）倍異なるように設定することができる。
【００７２】
第二実施例においては、ＳｉＯＮコア層１７３とＳｉＯ２クラッド層１７２との屈折率差は６％である。また、全ての導波路の導波路厚ｔは１．５μｍであり、図１３のＡ−Ｂの位置近傍の長い導波路１４４の部分を除く導波路の導波路幅Ｗ１は２μｍである。説明簡略化のため、方向性結合器１４２、１４５の偏光依存性は無視することにする。図１６は、屈折率差６％について、導波路厚ｔを１．５μｍとした場合の、実効屈折率で規格化した構造複屈折率の導波路幅依存性を計算した結果を示している。図１６を参照すると、導波路幅２μｍで構造複屈折率は０．０００２３１、導波路幅３μｍで構造複屈折率は０．０００４８５となることがわかる。
【００７３】
第一の実施例で説明したように、高品質な送信光信号１５を得るためには、非対称マッハツェンダ干渉計１４のＦＳＲは、式６を満たす値でなければならない。従って、以下の第二実施例の説明では、ＦＳＲは２５ＧＨｚとする。また、第一の方向性結合器１４２及び第二の方向性結合器１４５のパワー分岐比は０．５とし、導波路の伝播損失は無視するものとする。
【００７４】
短い導波路１４３の実効屈折率を１．５２とすると、ＦＳＲを２５ＧＨｚにするためには、長い導波路１４４は、短い導波路１４３より導波路長を７．８９ｍｍ長くする必要がある。この値と、導波路幅２μｍの場合の構造複屈折率の値とから、長い導波路１４４の導波路幅を全て２μｍとした場合の短い導波路１４３と長い導波路１４４との間のＴＥ偏光に対する光路長差と、ＴＭ偏光に対する光路長差とは、波長の１．８２倍異なることが計算できる。一方、第二実施例の動作のためには、ＴＥ偏光に対する光路長差とＴＭ偏光に対する光路長差との差は、波長の（整数＋１／２）倍、すなわち、２．５倍とする必要がある。以上から、長い導波路１４４の導波路幅Ｗ２とその部分の長さとを、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とに対しての光路長差の差が波長の０．６８倍増えるように設計すればよいことがわかる。例えば、長い導波路１４４の導波路幅Ｗ２を３μｍとすると、上述の構造複屈折率の値を用いてテーパ構造で導波路幅を２μｍから３μｍへと拡げる部分の導波路長は２．６８ｍｍとなる。
【００７５】
具体的な伝送シミュレーションに基づいて、第二実施例の動作を説明する。ここで、半導体レーザ１３の構造及び動作条件は、第一の実施例における構造及び動作条件と同じとする。ビットレートは１０Ｇｂ／ｓであり、波長は１．５μｍ帯である。また、光伝送路３０には、分散値１７ｐｓｅｃ／ｎｍ／ｋｍの標準シングルモード・ファイバを用い、光伝送路３０の長さは１００ｋｍ乃至２００ｋｍで、光伝送路３０で分散の補償は行っていない。
【００７６】
図１７は、各種光フィルタの透過特性を示している。図１７には、非対称マッハツェンダ干渉計を一段構成とした場合の透過特性と、二段構成とした場合の透過特性、ガウス型フィルタの透過特性、及び、リング共振器の透過特性を示している。図１７を参照すると、非対称マッハツェンダ干渉計を一段構成とした場合、その透過特性は、ガウス型光フィルタとはかなり異なる透過特性となることがわかる。これに対し、非対称マッハツェンダ干渉計をカスケードに２段接続した場合は、透過ピーク強度で規格化した相対透過率が−２０ｄＢまで、ガウス型光フィルタとほぼ同じ透過特性が得られることがわかる。
【００７７】
図１８は、図１３の構成において、半導体レーザ１３を上述の動作条件で小信号変調した場合の変調光信号１７、及び、出力ポート１８２から出力される送信光信号１５のスペクトル強度を示している。また、図１８には、非対称マッハツェンダ２段として動作する光フィルタ１８の透過特性も示している。半導体レーザ１３と光フィルタ１８とのディチューニングの設定は、第一の実施例で説明した通りである。
【００７８】
変調光信号１７のスペクトルの形状は、第一の実施例で説明したようにガウス型となる。従って、光フィルタ１８の透過特性がガウス型の場合に限り、送信光信号１５のスペクトルの形状はガウス型となる。光信号の波形は、光信号のスペクトルのフーリエ変換で与えられることから、光信号のスペクトル形状がガウス型の場合は、ガウス関数の形状の波形となる。一方、光信号のスペクトル形状がガウス型からずれた場合は、そのフーリエ変換である波形は裾を引き、符号間干渉等の波形歪を生じる。すなわち、光フィルタの透過特性がガウス型である場合に、波形歪及び符号間干渉が最小となる最も高品質な送信光信号１５が得られる。
【００７９】
図１９は、送信光信号１５のバック・トゥー・バック（Ｂ２Ｂ）アイパターンについての伝送シミュレーションの結果を示している。図１９を参照すると、バック・トゥー・バックで消光比１０ｄＢが得られていることがわかる。また、第一実施例に比して、波形歪、符号間干渉がほとんど無い高品質な波形であることがわかる。
【００８０】
図２０は、伝送後の送信光信号のアイパターンを示している。図２０（Ａ）は、１００ｋｍ伝送後のアイパターンを示している。図２０（Ｂ）は、１５０ｋｍ伝送後のアイパターンを示し、図２０（Ｃ）は、２００ｋｍ伝送後のアイパターンを示している。伝送ペナルティは、２００ｋｍ伝送後においても１ｄＢ以下であり、良好な長距離伝送が可能であることがわかる。
【００８１】
第一実施例と第二実施例との相違点は、光フィルタを、非対称マッハツェンダ干渉計をカスケードに等価的に２段接続した構成としている点である。非対称マッハツェンダ干渉計をカスケードに等価的に２段接続した構成とすることで、出力ポート１８２から出力される送信光信号１５の品質を改善することができる。つまり、第二実施例の構成とすることで、第一実施例に比して、送信光信号１５の波形歪及び符号間干渉を低減し、バック・トゥー・バックの波形品質を改善することができると共に、より長距離の伝送が可能になる。
【００８２】
第二実施例では、一つの非対称マッハツェンダ干渉計を用いて、非対称マッハツェンダ干渉計を２段直列に接続したことと等価な効果を得ている。第一実施例で説明したように、非対称マッハツェンダ干渉計１４のＦＳＲは、第６式の条件を満たす必要があり、かつ半導体レーザ１３の波長とのディチューニングとを、常に正確に制御する必要がある。非対称マッハツェンダ干渉計を別個に二つ使用した場合、制御するための監視機構と制御機構は全て２倍必要になる。また、非対称マッハツェンダ干渉計を別個に二つ使用した場合、収束性の観点から制御方法は非常に複雑になる。小型かつ低消費電力でプラガブルな光トランシーバ・モジュール、特にＸＦＰにおいては、搭載スペース及び許容消費電力に制限があり、搭載できるプロセッサの能力にも限界があるため、非対称マッハツェンダ干渉計を複数個使用することは事実上不可能である。第二実施例では、使用する非対称マッハツェンダ干渉計は一つで済むため、ディチューニング等を制御するための監視機構、制御機構、及び、制御方法に特別な構成は必要ない。従って、波形品質の改善及び長距離伝送が可能な光フィルタ１８を、ＸＦＰ等の光トランシーバ・モジュールに搭載することが可能である。
【００８３】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の光送信装置及び方法は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８４】
１０：光送信装置
１１：ベースバンド電気信号
１２：駆動回路
１３：半導体レーザ
１４：非対称マッハツェンダ干渉計からなる光フィルタ
１５：送信光信号
１６：変調電流
１７：変調光信号
１８：非対称マッハツェンダ干渉計と波長板と反射鏡とからなる光フィルタ
２０：光受信装置
３０：光ファイバ伝送路
１４１：光入力部
１４２：第１の方向性結合器
１４３：短い導波路
１４４：長い導波路
１４５：第２の方向性結合器
１４６：光出力部
１５１：主信号
１５２：残留側波帯
１７１：シリコン基板
１７２：ＳｉＯ２クラッド層
１７３：ＳｉＯＮコア層
１８１：入力ポート
１８２：出力ポート
１８３：第一の導波路
１８４：第二の導波路
１８５：波長板
１８６：反射鏡
１８７：モードフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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