(57)【要約】  動作速度がレーザの緩和振動周波数に限定されず、高速変調かつ長距離伝送が可能な光変調信号生成装置を提供する。信号源からの信号を光信号に変換し、周波数分散を有する伝送媒体に出力する光変調信号生成装置において、前記信号源からの信号により周波数変調を行って、周波数変調成分のみを有する光信号を生成する光源（１０２）と、前記光信号の周波数変調成分を、強度変調成分と周波数変調成分とに変換する周波数フィルタ（１０３）とを備えた。
2009001861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号源からの信号を光信号に変換し、周波数分散を有する伝送媒体に出力する光変調信号生成装置において、
前記信号源からの信号により周波数変調を行って、変調された光信号を生成する光源と、
前記変調された光信号の周波数変調成分を、強度変調成分と周波数変調成分とに変換する周波数フィルタと
を備えたことを特徴とする光変調信号生成装置。
【請求項２】
前記光源からの前記変調された光信号を増幅し、前記周波数フィルタに出力する半導体光増幅器をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光変調信号生成装置。
【請求項３】
複数の信号源からの信号を波長多重光信号に変換し、周波数分散を有する伝送媒体に出力する光変調信号生成装置において、
前記複数の信号源からの信号により周波数変調を行って、異なる中心波長の変調された光信号をそれぞれ生成する複数の光源と、
該複数の光源からの前記変調された光信号を合波して波長多重光信号を出力する合波器と、
前記波長多重光信号に含まれる前記変調された光信号の周波数変調成分を、強度変調成分と周波数変調成分とに変換する周波数フィルタと
を備えたことを特徴とする光変調信号生成装置。
【請求項４】
前記合波器からの前記波長多重光信号を増幅し、前記周波数フィルタに出力する半導体光増幅器をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の光変調信号生成装置。
【請求項５】
前記複数の光源の各々と前記合波器との間に挿入され、前記変調された光信号を増幅して、前記合波器に出力する複数の半導体光増幅器をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の光変調信号生成装置。
【請求項６】
前記複数の光源からの前記変調された光信号の中心周波数の周波数間隔が一定であり、
前記周波数フィルタの透過ピークの周波数間隔が周期的であり、
前記変調された光信号の周波数間隔の値が、前記透過ピークの周波数間隔の整数倍となるように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の光変調信号生成装置。
【請求項７】
前記光源は、波長選択型フィルタ領域、位相調整領域および活性層領域を含むレーザであり、前記位相調整領域への電圧印加により周波数変調を行うことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光変調信号生成装置。
【請求項８】
前記波長選択型フィルタ領域は、分布ブラッグ反射ミラーからなることを特徴とする請求項７に記載の光変調信号生成装置。
【請求項９】
前記波長選択型フィルタ領域は、異なるリング径を有する複数のリング共振器からなる結合リングフィルタであることを特徴とする請求項７に記載の光変調信号生成装置。
【請求項１０】
前記波長選択型フィルタ領域は、異なる光路長を有する複数の導波路の両端が、それぞれ２つの導波路に梯子型に接続されたラダーフィルタであることを特徴とする請求項７に記載の光変調信号生成装置。
【請求項１１】
前記光源は、前記周波数変調の変調幅の値が、前記光信号で伝送するビットレートの１／４から３／４の間に設定されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の光変調信号生成装置。
【請求項１２】
前記周波数フィルタの振幅成分および位相成分のパラメータを調整して、前記変換された光信号の周波数変調成分の変動を抑制することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の光変調信号生成装置。
【請求項１３】
前記周波数フィルタは、エタロンフィルタからなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の光変調信号生成装置。
【請求項１４】
前記周波数フィルタは、マッハ・ツェンダ干渉計フィルタからなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の光変調信号生成装置。
【請求項１５】
前記周波数フィルタは、ラティス型フィルタからなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の光変調信号生成装置。
【請求項１６】
前記周波数フィルタは、複合共振エタロンフィルタからなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の光変調信号生成装置。
【請求項１７】
前記周波数フィルタは、リング共振器フィルタからなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の光変調信号生成装置。
【請求項１８】
信号源からの信号を光信号に変換し、周波数分散を有する伝送媒体に出力する光変調信号生成方法において、
前記信号源からの信号により周波数変調を行って、変調された光信号を生成し、
前記変調された光信号の周波数変調成分を、強度変調成分と周波数変調成分とに変換することを特徴とする光変調信号生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調信号生成装置および光変調信号生成方法に関し、より詳細には、光ファイバを用いた、高速かつ長距離伝送を行うための光変調信号生成装置および光変調信号生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネットの普及に伴う伝送容量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送における大容量化、高速化が求められている。現在、基幹網に伝送速度１０Ｇｂｐｓのシステム導入が進められているが、更なる大容量化に対応するため、伝送速度の高い伝送システムが開発されている。伝送速度が１０Ｇｂｐｓを超えるシステムの導入にあたっては、１０Ｇｂｐｓのシステムに対して、さらなる低コスト化を図ることが重要である。特に、信号源においては、素子の小型化、低電力駆動化が必要であり、また、無中継で伝送できる距離の長距離化を図ることも必要である。【０００３】
現在、広く用いられている信号源としては、レーザを直接変調する方式と、レーザから出力されたＣＷ光を外部変調する方式とが挙げられる。直接変調方式においては、分布帰還型レーザ（ＤＦＢ-ＬＤ）の電流変調駆動が一般的である。外部変調方式においては、変調器の種類により、電界吸収（ＥＡ）型の変調器と、位相変調型の変調器の２つに分類できる。【０００４】
電界吸収型においては、半導体導波路における電界印加に伴う吸収変化を用いて強度変調を行う。量子井戸構造の場合は、量子閉じ込めシュタルク（ＱＣＳＥ）効果、バルク構造の場合は、フランツケルディッシュ効果を用いるのが一般的である。この構造においては、ＤＦＢ-ＬＤとの集積が容易であることから、電界強度変調器集積型（ＥＡ-）ＤＦＢ-ＬＤとして広く用いられている。【０００５】
位相変調型としては、主としてマッハ・ツェンダ型変調器が用いられている。この変調器は、入力光をカプラで２つの光路に分岐した後、電界印加に伴う屈折率変化により、２つの光路のそれぞれの分岐光の間に位相差を生じさせる。位相差を有する２つの分岐光を合波する際に、位相差による強度変化を用いて強度変調を行う。屈折率変化については、ＱＣＳＥ効果、フランツケルディッシュ効果に加え、電気光学（ＥＯ）効果が用いられる。変調器の材料としては、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）が広く一般的に用いられている。【０００６】
直接変調方式は、制御が簡便であるという特徴を有する。しかしながら、電流変調時に変調信号の強度に応じたレーザの発振波長の周波数変動が生じるという問題があった。伝送媒体となる光ファイバの伝播特性は、周波数分散を有しているため、光信号の周波数変動により、光ファイバ伝播後の光信号が劣化してしまう。【０００７】
図１に、従来の光変調信号伝送方式の構成を示す。光変調信号生成装置９０１から出力された光信号は、光ファイバ９０２内を伝播し、光受信装置９０３によって受信される。光変調信号生成装置９０１の信号源から、図２に示すような２０ＧｂｐｓのＮＲＺ信号が発生されるとする。光変調信号生成装置９０１のレーザを、このＮＲＺ信号で直接変調したときの光信号のアイ開口を図３Ａに示す。直接変調方式においては、レーザから出力される光信号に、変調信号に対応した周波数変動が生ずる。図３Ｂは、周波数変動幅が１０ＧＨｚの場合に、光ファイバ９０２を５０ｋｍ伝播させ、光受信装置９０３で受信した光信号のアイ開口を示す。光ファイバ伝播により、光信号の波形が大きく崩れていることがわかる。【０００８】
この伝播特性の劣化を解決するために、周波数フィルタを用いて、周波数振幅と強度振幅の相互変換を行い、周波数変動を抑制する手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。しかし、レーザを直接変調するために、動作速度がレーザの緩和振動周波数に限定されるという課題がある。現在、商用化されているレーザは、緩和振動周波数が１０ＧＨｚ程度であり、それ以上の高速変調には対応が困難である。【０００９】
外部変調方式のうち電界吸収型変調器は、キャリアを用いずに電界駆動を行うため、４０ＧＨｚの高速変調も可能となる。しかしながら、ＱＣＳＥ効果、フランツケルディッシュ効果を用いた変調器においては、バンドギャップ端付近の駆動を行うため、吸収係数に加えて大きな屈折率変化が発生する。これにより、光信号の立ち上がり、立下り時に光信号の周波数変動を引き起こす。この周波数変動が光ファイバ伝播時に光信号の劣化を生じさせるため、無中継では長距離伝送が困難である。【００１０】
位相変調型変調器は、同様に４０ＧＨｚの高速変調が可能であり、周波数変動を抑制できるという利点も有する。しかしながら、例えば、最も広く用いられているＬＮ変調器においては、素子サイズが大きく、半導体と比較すると駆動電圧が高い。また、ＤＦＢ-ＬＤとの集積に適していないという問題もあった。【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高速変調かつ長距離伝送を実現する光変調信号生成装置および光変調信号生成方法を提供することにある。【００１２】
【特許文献１】特許第３８３２７４３号
【非特許文献１】P.A.Morton et al., “38.5 km error free transmission at 10 Gbit/s in standard fibre using a low chirp, spectrally filtered, directly modulated 1.55 mm DFB laser”, Electronics Letters, vol.33, no.4, pp.311-312
【発明の開示】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、信号源からの信号を光信号に変換し、周波数分散を有する伝送媒体に出力する光変調信号生成装置において、前記信号源からの信号により周波数変調を行って、周波数変調成分のみを有する光信号を生成する光源と、前記光信号の周波数変調成分を、強度変調成分と周波数変調成分とに変換する周波数フィルタとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
前記光源からの前記光信号を増幅し、前記周波数フィルタに出力する半導体光増幅器をさらに備えることもできる。
【００１５】
前記光源は、波長選択型フィルタ領域、位相調整領域および活性層領域を含むレーザであり、前記位相調整領域への電圧印加により周波数変調を行う。前記波長選択型フィルタ領域は、分布ブラッグ反射ミラー、異なるリング径を有する複数のリング共振器からなる結合リングフィルタ、または異なる光路長を有する複数の導波路の両端が、それぞれ２つの導波路に梯子型に接続されたラダーフィルタのいずれかとすることができる。また、前記光源は、前記周波数変調の変調幅の値が、前記光信号で伝送するビットレートの１／４から３／４の間に設定されていることが好ましい。
【００１６】
光変調信号生成装置は、前記周波数フィルタの振幅成分および位相成分のパラメータを調整して、変換された周波数変調成分の変動を抑制する。前記周波数フィルタとして、エタロンフィルタを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、従来の光変調信号伝送方式の構成を示す図、
【図２】図２は、光変調信号生成装置の信号源から出力されるＮＲＺ信号を示す図、
【図３Ａ】図３Ａは、直接変調方式によりＮＲＺ信号で変調したときの光信号のアイ開口を示す図、
【図３Ｂ】図３Ｂは、直接変調方式により光ファイバを５０ｋｍ伝播させたときのアイ開口を示す図、
【図４】図４は、本発明の実施例１にかかる光変調信号伝送方式の構成を示す図、
【図５】図５は、光変調信号生成装置の周波数フィルタの入力および出力光信号の強度成分を示す図、
【図６】図６は、光変調信号生成装置の周波数フィルタの入力および出力光信号の周波数成分を示す図、
【図７】図７は、実施例１にかかる周波数フィルタの構成を示す図、
【図８】図８は、実施例１にかかる周波数フィルタの透過スペクトルと位相を示す図、
【図９】図９は、実施例１にかかる周波数フィルタの周波数設定条件を示す図、
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施例１にかかる光変調信号生成装置１０１から出力された光信号のアイ開口を示す図、
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施例１にかかる光変調信号伝送方式により光ファイバを５０ｋｍ伝播させたときのアイ開口を示す図、
【図１１】図１１は、周波数フィルタによる周波数変動成分の抑制を説明するための図、
【図１２Ａ】図１２Ａは、マッハ・ツェンダ干渉計フィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す図、
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、マッハ・ツェンダ干渉計フィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す図、
【図１３Ａ】図１３Ａは、光変調信号生成装置１０１から出力された光信号のアイ開口を示す図、
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、マッハ・ツェンダ干渉計フィルタを用いた周波数フィルタを適用し、光ファイバを５０ｋｍ伝播させたときのアイ開口を示す図、
【図１４Ａ】図１４Ａは、ラティス型フィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す図、
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、ラティス型フィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す図、
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、ラティス型フィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す図、
【図１５Ａ】図１５Ａは、光変調信号生成装置１０１から出力された光信号のアイ開口を示す図、
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、ラティス型フィルタを用いた周波数フィルタを適用し、光ファイバを５０ｋｍ伝播させたときのアイ開口を示す図、
【図１６Ａ】図１６Ａは、複合共振エタロンフィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す図、
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、複合共振エタロンフィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す図、
【図１７Ａ】図１７Ａは、光変調信号生成装置１０１から出力された光信号のアイ開口を示す図、
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、複合共振エタロンフィルタを用いた周波数フィルタを適用し、光ファイバを５０ｋｍ伝播させたときのアイ開口を示す図、
【図１８Ａ】図１８Ａは、リング共振器型フィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す図、
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、リング共振器型フィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す図、
【図１９Ａ】図１９Ａは、実施例１にかかる光源の構成を示す図、
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、実施例１にかかる光源の構成を示す図、
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、実施例１にかかる光源の構成を示す図、
【図２０】図２０は、実施例１にかかる光源の周波数応答特性を示す図、
【図２１】図２１は、実施例１にかかる光源の具体的な構成を示す図、
【図２２Ａ】図２２Ａは、実施例１にかかる光源の共振器特性を示す図、
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、実施例１にかかる光源の共振器特性を示す図、
【図２３】図２３は、実施例２にかかる光源の具体的な構成を示す図、
【図２４】図２４は、実施例３にかかる光源の具体的な構成を示す図、
【図２５】図２５は、実施例４にかかる光源の具体的な構成を示す図、
【図２６Ａ】図２６Ａは、本発明の実施例５にかかる多波長光変調信号生成装置の構成を示す図、
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、本発明の実施例５にかかる多波長光変調信号生成装置の構成を示す図、
【図２７】図２７は、実施例５にかかる多波長光変調信号生成装置の具体的な構成を示す図、
【図２８】図２８は、実施例５にかかる多波長光変調信号生成装置の光源の構成を示す図、
【図２９】図２９は、実施例５にかかる光源と制御装置との接続を示す図、
【図３０Ａ】図３０Ａは、実施例５にかかる光源の変調時の発振スペクトルを示す図、
【図３０Ｂ】図３０Ｂは、実施例５にかかる周波数フィルタの透過スペクトルを示す図、
【図３１】図３１は、実施例６にかかる多波長光変調信号生成装置の具体的な構成を示す図、
【図３２】図３２は、実施例６にかかる多波長光変調信号生成装置の光源の構成を示す図、
【図３３】図３３は、実施例６にかかる光源と制御装置との接続を示す図、
【図３４】図３４は、実施例７にかかる光源の具体的な構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の光変調信号生成装置は、周波数変調成分のみを有する光信号を、周波数フィルタを用いることにより、強度変調成分と周波数変調成分とに変換する。このとき、周波数変調時の周波数変動を抑制する。具体的には、以下に述べるように、周波数フィルタのパラメータを設定することにより周波数変調成分を制御して、信号列が「１」に対応して光信号が存在する領域において、周波数変動を抑制する。これにより、出力光信号には実質的に周波数変動が含まれず、光ファイバの分散の影響を抑制することができるので、高速変調かつ長距離伝送を実現することができる。【００１９】
周波数フィルタは、透過関数が下に凸となるフィルタを使用することが可能であり、具体的には、エタロンフィルタを用いることができる。また、周波数変調には、ＭＳＫを適用してパルスの分散に伴う信号の重なりを抑制する。さらに、光信号を周波数変調する光源にはＤＢＲ−ＬＤを適用し、活性層領域への電流注入により発振させ、ＤＢＲ領域への電流注入により発振波長を調整する。そして、位相調整領域への電圧印加により周波数変調信号を生成するので、電界変調時に強度変化は極めて小さく、周波数成分を主成分とする理想的な周波数変調信号を生成することができる。
【実施例１】
【００２０】
図４に、本発明の実施例１にかかる光変調信号伝送方式の構成を示す。光変調信号生成装置１０１は、信号源からのＮＲＺ信号により光信号を周波数変調する光源１０２と、その出力に接続され、位相成分を有する周波数フィルタ１０３とを含む。光変調信号生成装置１０１から出力された光信号は、光ファイバ１０４を伝播した後に、受信装置１０５により受信される。【００２１】
図５に、光変調信号生成装置の周波数フィルタの入力および出力光信号の強度成分を示し、図６に、周波数成分を示す。図５および６には、信号源からの信号列「１」「０」を合わせて示してある。いずれも、破線が周波数フィルタ１０３の透過前、実線が周波数フィルタ１０３の透過後の波形を表す。光源１０２において、信号源からの２０ＧｂｐｓのＮＲＺ信号により周波数変調された光信号、すなわち周波数フィルタ１０３の入力光信号は、図５に示すように、信号列に関わらず一定の強度を有し、図６に示すように、信号列に応じた周波数成分の変調を有する。入力光信号は、ＮＲＺ信号の「１」に対応する信号の周波数は、「０」に対応する周波数に対して１０ＧＨｚ高い周波数を有するように設定する。このように、伝送するビットレートに対して半分の値を、周波数変調の変調幅の値に設定することは、いわゆるＭＳＫ（Minimum Shift Keying）と称され、光ファイバ伝播後の隣接パルス間の位相差がπとなり、光ファイバ伝播によるパルス分散に伴う信号の重なりを抑制する効果がある。【００２２】
また、周波数変調の変調幅の値が、光信号で伝送するビットレートの１／４から３／４の間に設定されていれば、「１−０−１」の信号における隣接パルス間の位相差が逆符号となり、光ファイバ伝播後のパルスの分散に伴う信号の重なりを抑制する効果がある。なお、図６におけるフィルタ透過後の周波数の急峻なピークは、全て、ＮＲＺ信号の「０」に対応する光信号において発生しており、ＮＲＺ信号の「１」に対応する光信号の周波数変動には無関係である。この急峻なピークは、特に信号列「１−０−１」の場合に顕著に現れており、上述したように信号間の位相が、「０」に対応して急峻にπに変化することに対応している。従って、光信号の伝播に伴う波形の広がりによって生じる隣接信号間の重なりを、抑制する効果がある。【００２３】
図７に、実施例１にかかる周波数フィルタの構成を示す。周波数フィルタ１０３は、共振器２０２ａ，２０２ｂの入出力端に、ミラー２０３ａ〜２０３ｄを設けたエタロンフィルタ２０１ａ，２０１ｂを二段直列接続した構成である。周波数フィルタ１０３のＦＳＲ（Free Spectral Range）は１００ＧＨｚである。【００２４】
図８に、実施例１にかかる周波数フィルタの透過スペクトルと位相を示す。透過ピーク付近では、強度変化に加えて位相変化も生じている。図９に、周波数設定条件を示す。ＮＲＺ信号の「１」に対応する周波数をｆＧＨｚに、ＮＲＺ信号の「０」に対応する周波数をｆ−１０ＧＨｚに設定する。周波数フィルタの透過ピークは、ｆ＋５ＧＨｚに設定する。すなわち、ＮＲＺ信号の「１」に対応する光信号の透過率が、ＮＲＺ信号の「０」に対応する光信号の透過率よりも高くなる。従って、入力の周波数変調信号に応じた強度変調信号を生成することができる。【００２５】
このように設定された周波数フィルタ１０３の出力光信号は、強度成分が図５に示したように変換される。周波数変調信号が、周波数フィルタ１０３によって、ＮＲＺの強度変調信号に基づいて変換されていることがわかる。また、周波数成分は図６に示したように変換される。フィルタ透過前の光信号は、信号列に同期した周波数成分を有しているが、フィルタ透過後の光信号は、周波数成分の０ＧＨｚ付近の領域（以下、フラットチャープ領域という）が広がっている。すなわち、信号列が「１」の場合は周波数成分の０ＧＨｚ付近で変動がなく、信号列が「０」の場合にのみ大きな周波数変動が生じているのがわかる。従って、信号列が「１」に対応して光信号が存在する領域においては、周波数変動が抑制されているため、実質的には周波数変動がなく、光ファイバの分散の影響を抑制することができる。【００２６】
図１０Ａに、光変調信号生成装置１０１から出力された光信号のアイ開口を示し、図１０Ｂに、光ファイバ１０４を５０ｋｍ伝播させ、光受信装置１０５で受信した光信号のアイ開口を示す。光ファイバ１０４の分散値は、１６．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。５０ｋｍの光ファイバ伝播に対しても波形の劣化が生じておらず、図３に示した従来技術と比較すると、改善の効果が明らかである。【００２７】
（周波数フィルタ）
次に、周波数変調のみの信号と周波数フィルタを用いて光変調信号の周波数変動の抑制が可能となる原理を示す。光源１０２から周波数フィルタ１０３への入力光信号Ａ（ｔ）を、以下のように表す。ω０は中心周波数、ｔは時間パラメータ、θは変調に伴う位相変動、Ａ０は振幅である。
2009001861.tif 000003
周波数変動成分は以下のように表される。
2009001861.tif 000004
フィルタ関数の振幅成分を周波数の２次関数で定義し、位相成分を周波数の１次関数で定義する。
2009001861.tif 000005
このとき、周波数フィルタを透過した後の信号は、フィルタ関数を加えてフーリエ変換を行って、
2009001861.tif 000006
となる。Ａ（ω）は入力光信号の周波数成分である。フィルタ透過後の信号は、以下のように振幅成分と位相成分に分けられる。
2009001861.tif 000007
2009001861.tif 000008
2009001861.tif 000009
周波数成分は、位相の時間微分で表されるので、
2009001861.tif 000010
2009001861.tif 000011
2009001861.tif 000012
以上の式には、周波数フィルタの振幅パラメータａ，ｂ，ｃ、および位相パラメータｄ，ｅが含まれている。従って、フィルタ関数の設定、すなわち振幅成分と位相成分の設定によって、強度変調成分の生成に加えて、周波数変調成分の制御が可能となる。【００２８】
上述したように、ＮＲＺ信号の「１」に対応する光信号の周波数をフィルタの透過ピーク付近に設定し、ＮＲＺ信号の「０」に対応する光信号の周波数を「１」に対応する光信号の周波数から低周波側に設定する。そして、式（１０）に従って、Δωｆが許容される周波数変動範囲内に収まるように、振幅パラメータａ，ｂ，ｃ、および位相パラメータｄ，ｅを設定すればよい。全ての時間領域においてΔωｆが一定、すなわちΔωｆの時間微分が０となれば、全ての時間領域において周波数を一定にすることができる。【００２９】
もともとの光信号に強度変調成分が無い場合、Ａ０'（ｔ）＝０、Ａ０''（ｔ）＝０となるから、式（１０）の周波数変動成分Δωｆは、
2009001861.tif 000013
となる。式（１１）によれば、周波数フィルタの振幅パラメータｃが、周波数制御に関与することがわかる。【００３０】
振幅パラメータｃ＞０のとき、図９に示したように、フィルタの透過関数が下に凸のフィルタ関数となる。図１１を参照して、周波数フィルタによる周波数変動成分の抑制を説明する。周波数フィルタ透過前の周波数変調成分Δω(t)は、図６に破線で示した波形の信号列「１」のビットの前後を表している。これに、周波数フィルタによって周波数成分Δωｆ(t)が加わって、周波数フィルタ透過後の周波数変調成分Δω(t)+Δωｆ(t)となる。つまり、図６に実線で示して説明したように、信号列が「１」に対応してフラットチャープ領域が広がっているのがわかる。また、振幅パラメータｃ＞０のとき、フィルタの透過関数に分散補償機能が無い、具体的には、遅延時間の周波数依存性がない場合であっても周波数変動成分を抑制できる効果がある。【００３１】
このようにして、周波数変調成分のみを有する信号を、強度と位相に関するパラメータを調整した周波数フィルタを通すことにより、強度変調信号を生成することができ、さらに、信号に含まれる周波数変調成分を制御、抑制することができる。すなわち、信号列が「１」に対応して光信号が存在する領域において、フラットチャープ領域を拡大して、周波数変動を抑制することにより、出力光信号には実質的は周波数変動を含まないようにすることができる。【００３２】
具体的には、周波数フィルタ１０３のミラー２０３ａ〜２０３ｄは、Ｔａ２Ｏ５からなる高屈折率層と、ＳｉＯ２からなる低屈折率層とが交互に積層されている。ここで、ミラー２０３ａ〜２０３ｄの反射率を０．７とする。これに挟まれた共振器２０２ａ，２０２ｂの厚さＬは、エタロンの透過ピークの光周波数軸上での間隔により決定され、
Ｌ＝ｃ／２／ｎ／ＦＳＲ    （１２）
と設定すればよい。ここで、ｃは真空中の光速、ｎは共振器の屈折率である。ＦＳＲ＝１００ＧＨｚとしたい場合には、Ｌ＝１ｍｍとすればよい。このとき、実施例１にかかる周波数フィルタの各パラメータは、動作付近である周波数−１０ＧＨｚから０ＧＨｚの間でａ＝０．５６６，ｂ＝１．１６ｘ１０−１１ｓ，ｃ＝７．１２ｘ１０−２３ｓ２，ｄ＝−０．４９０π，ｅ＝−１．５４ｘ１０−１１ｓとなる。この近似の範囲においてはｃ＞０であるため、周波数変動成分を抑制する効果が働く。【００３３】
ここでは、周波数フィルタ１０３を透過型のエタロンフィルタとして説明したが、反射型のエタロンフィルタを用いてもよい。また、その他のフィルタを用いても同様の効果を得ることができる。さらに、フィルタを２段接続した例を示したが、フィルタの数は１段、または複数段でも構わない。【００３４】
（周波数フィルタの他の実施例）
（ａ．マッハ・ツェンダ干渉計）
図１２Ａ，１２Ｂに、マッハ・ツェンダ干渉計フィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す。本発明における効果は、マッハ・ツェンダ干渉計フィルタを用いても得ることができる。図１２Ａに示したマッハ・ツェンダ干渉計フィルタは、光の入射方向から、入力光導波路７０１、２×２光結合器７０２、遅延時間τとなるように光路長差を設けた２本の光導波路７０３ａ，７０３ｂ、２×２光結合器７０４、および出力光導波路７０５から構成されている。光結合器の結合定数と遅延時間τによりフィルタの透過特性を調整することができる。また、マッハ・ツェンダ干渉計フィルタを多段接続することにより、フィルタの透過スロープを調整することができる。【００３５】
図１２Ｂに、マッハ・ツェンダ干渉計フィルタを２段縦続接続した周波数フィルタを示す。マッハ・ツェンダ型フィルタの透過特性は、フィルタによる遅延時間の周波数依存性がなく、分散補償の機能は存在しない。しかしながら、実施例１の周波数フィルタに適用すれば、分散耐性の高い伝送を実現することができる。【００３６】
図１３Ａ，１３Ｂに、マッハ・ツェンダ干渉計フィルタを用いた周波数フィルタ１０３を適用し、光ファイバを５０ｋｍ伝播させたときのアイ開口図を示す。図１２Ｂの構成において、光結合器の結合定数を０．５、遅延時間τはＦＳＲを４０ＧＨｚとした場合のシミュレーション結果である。フィルタへの入力信号は、強度変調のない、ビットレート２０ＧｂｐｓのＮＲＺ周波数変調信号である。ＮＲＺ信号の「１」に対応する周波数をｆＧＨｚに、ＮＲＺ信号の「０」に対応する周波数をｆ−１０ＧＨｚに設定する。マッハ・ツェンダ干渉計フィルタの透過ピークは、ｆ＋６ＧＨｚに設定する。すなわち、周波数変調振幅は１０ＧＨｚである。フィルタ透過後、分散値１６．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの光ファイバを５０ｋｍ伝送させた。【００３７】
図１３Ａに、光変調信号生成装置１０１から出力された光信号のアイ開口を示し、図１３Ｂに、光ファイバ１０４を５０ｋｍ伝播させ、光受信装置１０５で受信した光信号のアイ開口を示す。５０ｋｍの光ファイバ伝播に対しても波形の劣化が生じていないことがわかる。【００３８】
（ｂ．ラティス型フィルタ）
図１４Ａ〜１４Ｃに、ラティス型フィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す。本発明における効果は、ラティス型フィルタ（例えば、特許文献１参照）を用いても得ることができる。図１４Ａに示したラティス型フィルタは、２段接続のフィルタであり、光の入射方向から、入力光導波路８０１、２×２光結合器８０２、遅延時間τ１となるように光路長差を設けた２本の光導波路８０３ａ，８０３ｂ、２×２光結合器８０４、遅延時間τ２となるように光路長差を設けた２本の光導波路８０５ａ，８０５ｂ、２×２光結合器８０６、および出力光導波路８０７から構成されている。光結合器の結合定数と、各段における光路長差を変えることで、透過スペクトル特性を調製することができる。【００３９】
光路長差は、図１４Ａに示すように、一方の光導波路のみに遅延を設けるようにしてもよいし、図１４Ｂに示すように、遅延を設ける光導波路を、各段で入れ替えても構わない。また、図１４Ｃに示したラティス型フィルタ８２０のように、多段接続することにより、設計の自由度が向上し、本発明による、分散耐性の高い伝送を実現することができる。【００４０】
図１５Ａ，１５Ｂに、ラティス型フィルタを用いた周波数フィルタ１０３を適用し、光ファイバを５０ｋｍ伝播させたときのアイ開口図を示す。図１４Ａの構成において、光結合器８０２，８０４，８０６の結合定数をそれぞれ０．５、０．７、０．１とし、遅延時間τ１を、ＦＳＲが５００ＧＨｚとなるように設定し、遅延時間τ２を、ＦＳＲが５０ＧＨｚとなるように設定した場合のシミュレーション結果である。フィルタへの入力信号は、強度変調のない、ビットレート２０ＧｂｐｓのＮＲＺ周波数変調信号である。ＮＲＺ信号の「１」に対応する周波数をｆＧＨｚに、ＮＲＺ信号の「０」に対応する周波数をｆ−１０ＧＨｚに設定する。ラティス型フィルタの透過ピークは、ｆ＋３０ＧＨｚに設定する。すなわち、周波数変調振幅は１０ＧＨｚである。フィルタ透過後、分散値１６．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの光ファイバを５０ｋｍ伝送させた。【００４１】
図１５Ａに、光変調信号生成装置１０１から出力された光信号のアイ開口を示し、図１５Ｂに、光ファイバ１０４を５０ｋｍ伝播させ、光受信装置１０５で受信した光信号のアイ開口を示す。５０ｋｍの光ファイバ伝播に対しても波形の劣化が生じていないことがわかる。また、ラティス型フィルタは分散補償機能を有する。従って、光フィルタの透過帯域における分散値を、光ファイバの分散値と逆にすることで分散補償を行うことにより、分散耐性をさらに増強することができる。なお、ラティス型フィルタに限らず、エタロンフィルタ、リングフィルタなどの、分散の波長依存性を有するフィルタは、いずれも分散補償の効果を有している。【００４２】
（ｃ．複合共振エタロンフィルタ）
図１６Ａ，１６Ｂに、複合共振エタロンフィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す。本発明における効果は、複合共振エタロンフィルタを用いても得ることができる。図１６Ａに示した複合共振エタロンフィルタは、光の入射方向から、ミラー２１３ａ、共振器２１２ａ、ミラー２１３ｂ、共振器２１２ｂ、およびミラー２１３ｃから構成されている。共振器の長さとミラーの反射率とによりフィルタの透過特性を調整することができる。図１６Ｂに示した複合共振エタロンフィルタは、２枚のミラー２２３ａ，２２３ｄの間に、２枚以上のミラー２２３ｂ，２２３ｃを設けた複共振合エタロンフィルタである。【００４３】
図１７Ａ，１７Ｂに、複合共振エタロンフィルタを用いた周波数フィルタ１０３を適用し、光ファイバを５０ｋｍ伝播させたときのアイ開口図を示す。図１６Ａの構成において、ミラー２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃの反射率をそれぞれ０．７５、０．１、０．７５とし、共振器長を調整してＦＳＲを５０ＧＨｚとした場合のシミュレーション結果である。フィルタへの入力信号は、強度変調のない、ビットレート２０ＧｂｐｓのＮＲＺ周波数変調信号である。ＮＲＺ信号の「１」に対応する周波数をｆＧＨｚに、ＮＲＺ信号の「０」に対応する周波数をｆ−１０ＧＨｚに設定する。複合共振エタロンフィルタの透過ピークは、ｆ＋９．５ＧＨｚに設定する。すなわち、周波数変調振幅は１０ＧＨｚである。フィルタ透過後、分散値１６．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの光ファイバを５０ｋｍ伝送させた。【００４４】
図１７Ａに、光変調信号生成装置１０１から出力された光信号のアイ開口を示し、図１７Ｂに、光ファイバ１０４を５０ｋｍ伝播させ、光受信装置１０５で受信した光信号のアイ開口を示す。５０ｋｍの光ファイバ伝播に対しても波形の劣化が生じていないことがわかる。【００４５】
（ｄ．リング共振器フィルタ）
図１８Ａ，１８Ｂに、リング共振器フィルタを用いた周波数フィルタの構成を示す。本発明における効果は、リング共振器フィルタを用いても得ることができる。図１８Ａに示したリング共振器フィルタは、光の入射方向から、入力光導波路４２２ａ、２×２光結合器４２３ａ、リング共振器４２１、２×２光結合器４２３ｂ、および出力光導波路４２２ｂから構成されている。光結合器の結合定数と、リング共振器の光路長を変えることで、透過スペクトル特性を調製することができる。図１８Ｂに示したリング共振器フィルタは、リング共振器フィルタを２段縦続接続した周波数フィルタである。【００４６】
このようなリング共振器フィルタを、光変調信号生成装置１０１の周波数フィルタ１０３に用いても、本発明による、分散耐性の高い伝送を実現することができる。【００４７】
（光源）
図１９Ａ〜１９Ｃに、実施例１にかかる光源の構成を示す。図１９Ａに示した光源は、波長選択光反射器１００１、位相変調領域１００２、利得領域１００３、および光反射器１００４の順に接続され、前後の光反射器の間に、位相変調領域と利得領域とを設けた構造からなる。光源１０２は、前述に示した、強度変調信号がほとんど存在せず、高速な周波数変調信号のみを生成することができる。利得領域１００３は、光注入あるいは電流注入による自然放出光の発生と増幅機能を有する領域である。この領域から発生した自然放出光は、利得領域１００３における増幅を受けながら前後の光反射器１００１，１００４の間を往復する。光反射器１００１，１００４の間の共振器の損失と利得が釣り合い、かつ位相条件が整合したところでレーザ発振する。位相整合条件は、光反射器１００１，１００４の間の共振器の長さ（全共振器長）をＬ、実効屈折率をｎｅｑ，光波長をλ、光速度をｃ、周波数をｆとすると次のように表される。
2009001861.tif 000014
従って、発振周波数ｆ０は次のように表される。
2009001861.tif 000015
ここで、全共振器の実効屈折率は一定であるとした。このとき、波長選択光反射器１００１により、所望の一つの縦モードのみを選択することにより、シングルモード発振を実現することができる。なお、図１９Ａの波長選択光反射器１００１と光反射器１００４とは入れ替えても構わない。また、図１９Ｂに示したように、前後の光反射器の双方を、波長選択光反射器１０１１，１０１４とすることもできる。【００４８】
周波数変調動作の原理は以下の通りである。位相変調領域１００２は、媒質の屈折率が自由に変化する機能を有する領域である。位相変調領域１００２の屈折率が変化すると、位相整合条件が変わり、発振周波数が変化する。位相変調領域長をＬｐとし、位相変調領域１００２の屈折率変化量をΔｎｅｑとする。このときの発振周波数の変化量Δｆ０は以下の通りである。
2009001861.tif 000016
従って、位相変調領域１００２を高速に屈折率変調することにより、高速な周波数変調を実現することができる。効率のよい周波数変調を実現するには、屈折率変化量Δｎｅｑ／ｎｅｑを増大することと、全共振器長Ｌに対する位相調整領域長Ｌｐの比率ΔＬｐ／Ｌを増大することが有効である。また、その他の手法としては、波長選択光反射器１００１の反射ピーク周波数を変調することでも周波数変調ができる。発振周波数の調整としては、波長選択光反射器１００１の反射ピーク周波数を所望の波長に調整すればよい。また、図１９Ｃに示したように、前後の反射鏡１０２１，１０２４の間に複数の位相調整領域１０２２，１０２５を設け、一方の位相調整領域１０２２で周波数変調を行い、もう一方の位相調整領域１０２５において発振周波数の微調を行うこともできる。【００４９】
以下に、本発明の高速動作に関わる原理を、式を用いて簡単に説明する。レーザの動作は、レート方程式を用いて表すことができる。
2009001861.tif 000017
2009001861.tif 000018
Ｎはキャリア濃度、Ｓは光子密度、ｔは時間、Ｉは電流、ｅは電荷、Ｖａは活性層体積、Ｇは利得、τｓは光子寿命、Ｒｓｐは再結合レートである。τｐは共振器内の光子寿命であり、
2009001861.tif 000019
と表される。ここで、ξｔは導波路の光閉じ込め、Ｌａは活性層長、Ｌｐは位相調整領域長、ＬＤＢＲは反射鏡の実効長、Ｌは全レーザ共振器の実行長、αａは活性層の伝播損、αｐは位相調整領域の伝播損、αＤＢＲは反射鏡領域の伝播損、Ｒ１，Ｒ２は前後の反射器の反射率である。簡単のため、全領域の実効屈折率は同一と仮定した。【００５０】
このとき、レーザの発振周波数は以下の式を用いて表される。
2009001861.tif 000020
ここで、ｆ０は無変調時のレーザの発振周波数、Ｖは、位相変調領域層への印加電圧、αＬＥＦは活性層の線幅増大係数、ｇ’は微分利得、βｃは位相変調層のチャープパラメータである。この式の第１項は、変調に伴い活性層内のキャリア濃度が変わり、それに伴い共振器内の実効屈折率が変化することで発振周波数が変化することを示している。第２項は、位相変調領域に電圧を印加することにより、位相調整領域の屈折率が変化して、発振周波数が変化することを示している。【００５１】
位相変調領域を電圧Ｖで変調することを考えると、発振周波数は式（１９）に従って変化する。ここで、第２項は変調電圧の時間応答ｄＶ／ｄｔの項が含まれているが、この項は変調信号そのものを表している。従って、変調電圧に応じた周波数応答となる。実際の素子においては、素子の共振器応答により第２項の応答も劣化するが、第１項のキャリア変動の効果と比較すると極めて速い過程である。【００５２】
一方、第１項はキャリアの時間応答の項ｄＮ／ｄｔが含まれている。一般に、キャリアの応答は数ナノ秒と遅いために、この項が周波数応答の劣化の原因となる。しかし、この項を０とする、または第２項に対して無視できるように設定することで、第１項は周波数応答には寄与せず、第２項に応じた高速な周波数変調が可能となる。【００５３】
以下、より具体的に周波数応答特性について説明する。本実施形態における光出力の強度変調は、光フィルタを用いて周波数変調振幅を変換することで得られる。従って、周波数応答特性は、位相変調領域に変調周波数ｆで電圧振幅ΔＶを印加した場合の周波数変調幅Δｆ、すなわち関係式
2009001861.tif 000021
の変調周波数ｆ依存性により評価することができる。Ｍ（ｆ）／Ｍ（０）の周波数依存性が小さいほど、良好な変調応答特性が得られる。電圧に対する小信号応答は式１６〜１９を連立させて解くことで得られ、以下の式で表される。
2009001861.tif 000022
ここで、ｆｒは素子の緩和振動周波数、Γはダンピング定数と呼ばれ、それぞれ次のように定義される。
2009001861.tif 000023
2009001861.tif 000024
ただし、
2009001861.tif 000025
2009001861.tif 000026
2009001861.tif 000027
2009001861.tif 000028
である。Ｓ０は定常状態のフォトン密度である。また、Γｆは周波数応答を決める定数であり、次のように定義される。
2009001861.tif 000029
Γｆが０に近づくと式２１の値は１となり、素子の応答は変調周波数に関わらず一定となり、高速な周波数応答が得られる。このとき、素子の緩和振動周波数と無関係となることが、直接変調方式と比較して優れた特長である。【００５４】
図２０に、周波数応答特性を示す。横軸は変調周波数ｆ、縦軸は式２１に従う周波数応答をデシベル表示で示す。また、従来技術との比較を行うため、直接変調方式の場合を同時に示した。直接変調の場合の周波数応答特性は、電流変調振幅ΔＩに対するフォトン密度の変化量ΔＳ、すなわち、
2009001861.tif 000030
で定義される。この場合、式１６、１７を用いることにより、一般的に知られる以下の関係式
2009001861.tif 000031
が導出される。【００５５】
図２０においては、ｆｒを１０ＧＨｚ、Γ／２πを１０ＧＨｚ、ΓＮ／２πを５ＧＨｚとした。直接変調の場合、緩和振動周波数ｆｒの１０ＧＨｚ付近でピークを示し、それよりも高い周波数では急激に周波数応答が劣化する。一方、位相領域変調の場合、周波数応答の劣化のピークが存在するが、高周波数領域に対してはフラットな周波数応答特性を有する。従って、このピーク周波数における劣化を抑制することで、高速な変調動作を実現することができる。具体的には、Γｆを０に近づけることにより、緩和振動周波数に依存しない周波数応答を実現することができる。そのためには、式２８より、以下の方法をとればよい。（１）電圧印加に伴う吸収損失増大を０に近づける、すなわち∂αｐ／∂Ｎを０に近づける。（２）キャリア密度増大にともなう活性層の屈折率変化、すなわち∂ｎａ／∂Ｎを０に近づける、すなわち活性層の線幅増大係数αＬＥＦを０に近づける。目安としては、式２１の値が所望の変調周波数範囲内で３ｄＢ以内に収まればよい。理想的には、Γｆを０とすることで、完全に緩和振動に依存しない周波数応答が可能となる。【００５６】
ここでは、上記（１）、すなわち電圧印加に伴う吸収損失増大を０とするための実施例を示す。本実施例において、電圧変調時に吸収損失が変化する要因は、主として２点挙げられる。１つは位相変調領域における電圧印加に伴う吸収損失αｐの変化であり、もう１つは反射ミラーの反射率Ｒ１、Ｒ２の波長依存性による変化である。従って、式１８より、変調時の光子寿命の逆数の変化量は、
2009001861.tif 000032
と表される。この値を一定に保つことで、全体の共振器損を一定に保つことができ、光出力を一定に保つと同時に、高速な周波数変調を実現することができる。【００５７】
（光源の具体例）
図２１に、実施例１にかかる光源の具体的な構成を示す。光源１０２は、分布ブラッグ反射ミラー（ＤＢＲ）領域３０１と、光の出射方向に向けて、位相調整領域３０２と、活性層領域３０３とを備えた分布ブラッグ反射型レーザ（ＤＢＲ−ＬＤ）である。光源１０２の鉛直方向の構造は、ｎ型クラッド層３０４の上に、ＤＢＲ領域３０１および位相調整領域３０２の導波路層３０５と、活性層領域３０６の量子井戸層３０６とが積層されている。ＤＢＲ領域３０１の導波路層には、回折格子３０７が設けられている。これらの層の上には、ｐ型クラッド層３０８、コンタクト層３０９およびｐ側電極３１１が積層されている。また、ｎ型クラッド層３０４の下には、ｎ側電極３１０が設けられている。【００５８】
位相調整領域３０２には位相調整電圧制御装置３１２、ＤＢＲ領域３０１には発振波長制御電流装置３１３、活性層領域３０３には活性層電流制御装置３１４が接続されている。活性層領域３０３に電流を注入することにより、自然放出光が活性層領域３０３の出射側端面とＤＢＲ領域３０１との間の反射により帰還し、閾値を超えるところで発振する。発振波長は、波長選択型フィルタ領域であるＤＢＲ領域３０１の発振波長制御電流により調整することが可能である。【００５９】
図２２Ａ，２２Ｂに、実施例１にかかる光源の共振器特性を示す。横軸はＤＢＲ領域３０１のブラッグ波長からのずれであり、縦軸は共振器損失である。＋印が縦モードに対応する点を示す。図２２Ａの○印で示したように、発振モードがブラッグ波長の中心付近になるように、位相調整領域３０２の位相調整電圧、ＤＢＲ領域３０１の発振波長制御電流を設定する。位相調整領域３０２がバルク構造の場合には、電圧を印加すると、電気光学効果、主としてポッケルス効果とフランツケルディッシュ効果とにより屈折率が変化する。位相調整領域３０２が量子井戸層の場合には、電圧を印加すると、主としてポッケルス効果と、ＱＣＳＥ効果とにより屈折率が変化する。このとき、発振モードは図２２Ａの●印で示したように、ブラッグ波長中心に対して長波長側、すなわち低周波数側に変化する。位相調整電圧が低い状態をＮＲＺ信号の「１」に対応させ、位相調整電圧印加時をＮＲＺ信号の「０」に対応させることで、図５に示した周波数変調信号を生成することができる。変調に伴う導波路損失の変化が無視できる場合、図２２Ａに示したようにブラッグ波長を中心として周波数変調を行うことにより、強度変調の発生を抑制することができる。従って、上述したように、このとき、レーザの応答は共振器内の応答、すなわち共振器内の光子寿命のみにより決定され、緩和振動周波数を超える１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能である。【００６０】
図２２Ｂに、電界印加に伴う導波路損失の変化が生じた場合の別の動作条件を示す。発振モードがブラッグ波長に対して短波長側となるように、位相調整領域３０２の位相調整電圧、ＤＢＲ領域３０１の発振波長制御電流を設定する。共振器特性においては、ＤＢＲ反射スペクトルの波長依存性により、具体的には、電界印加時に位相調整領域３０２の導波路損失が増大する。上述したように、変調時に導波路損が変化すると、レーザの閾値利得が変化するために活性層内のキャリア密度が変化し、合わせてレーザ出力が変動するために強度変調が生じる。このとき、強度変調におけるレーザの応答が緩和振動周波数に制限されるため、変調速度は１０ＧＨｚ程度に制限される。一方、上述の駆動条件のように、低電圧時の場合の損失が高電圧時の損失よりも高い状態に共振器スペクトルの波長依存性を設定しておけば、電界変調時の共振器内の閾値利得は変わらない。すなわち、この構成においては、電界変調時に強度変化が生じないために、周波数変調成分のみを生成することが可能である。従って、上述したように、レーザの応答は共振器内の応答、すなわち共振器内の光子寿命のみにより決定され、緩和振動周波数を超える１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能である。
【実施例２】
【００６１】
図２３に、実施例２にかかる光源の具体的な構成を示す。光源１０２は、ＤＢＲ領域３０１ａと、光の出射方向に向けて、位相調整領域３０２と、活性層領域３０３と、ＤＢＲ領域３０１ｂとを備えた分布ブラッグ反射型レーザである。活性層、位相調整領域の両側にＤＢＲ領域がある構成でも同様の効果を得ることができる。【００６２】
なお、実施例１および２において、発振周波数の調整は、ＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂにおける電圧駆動でも実現することができる。発振波長制御電圧装置３１３ａ，３１３ｂによりＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂを、電圧駆動することにより、同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００６３】
図２４に、実施例３にかかる光源の具体的な構成を示す。光源１０２は、結合リングフィルタ領域４０１と、光の出射方向に向けて、位相調整領域３０２と、活性層領域３０３とを備えている。実施例１と同様に、活性領域３０３は多重量子井戸層、位相調整領域３０２はバルクまたは量子井戸導波路層から形成されている。【００６４】
結合リングフィルタ領域４０１は、ＦＳＲ６００ＧＨｚとなるリング径を有するリング共振器４１１ａと、ＦＳＲ７００ＧＨｚとなるリング径を有するリング共振器４１１ｂとを備える。位相調整領域３０２とリング共振器４１１ａとは、導波路４１２ａを介して、結合定数０．５の２×２合分波器４１３ａにより結合している。リング共振器４１１ａとリング共振器４１１ｂとは、導波路４１２ｂを介して、結合定数０．５の２×２合分波器４１３ｂ，４１３ｃにより結合している。さらに、リング共振器４１１ｂは、結合定数０．５の２×２合分波器４１３ｄにより、導波路４１２ｃと結合している。また、リング共振器４１１ａとリング共振器４１１ｂには、発振波長制御電流装置３１３ａ，３１３ｂがそれぞれ接続されている。【００６５】
単一リング共振器は、周期的な透過スペクトルを有しているため、重ね合わせによる全体の透過スペクトルは、４２００ＧＨｚとなる。利得帯域に比較して広いＦＳＲを有する透過スペクトルとなるので、単一の発振モードを選択することが可能である。従って、実施例１と同様に、活性層領域３０３に活性層電流制御装置３１４から電流を注入してレーザ発振を行い、発振波長制御電流装置３１３ａ，３１３ｂからの電流注入により発振波長を制御する。さらに、位相調整領域３１２における電界制御により、高速な周波数変調を行うことができ、長距離伝送を実現することが可能である。なお、発振周波数の調整は、リング共振器における電圧駆動でも実現することができる。
【実施例４】
【００６６】
図２５に、実施例４にかかる光源の具体的な構成を示す。光源１０２は、ラダーフィルタ領域５０１と、光の出射方向に向けて、位相調整領域３０２と、活性層領域３０３とを備えている。実施例１と同様に、活性領域３０３は多重量子井戸層、位相調整領域３０２はバルクまたは量子井戸導波路層から形成されている。【００６７】
ラダーフィルタ領域５０１は、異なる光路長を有する複数の導波路５１１の両端が、それぞれ２つの導波路に梯子型に接続されており、隣接する導波路がそれぞれ光路差を有している。この光路差により干渉が生じ、各導波路の透過スペクトルの足し合わせによって、波長選択性を有する透過スペクトルを得ることができる。梯子の上下の導波路には電極５１２が設けられており、上下の電極それぞれに、発振波長制御電流装置３１３ａ，３１３ｂがそれぞれ接続されている。この電極に電流を注入することにより、発振波長を制御することができる。【００６８】
実施例１と同様に、活性層領域３０３に活性層電流制御装置３１４から電流を注入してレーザ発振を行い、発振波長制御電流装置３１３ａ，３１３ｂからの電流注入により発振波長を制御する。さらに、位相調整領域３１２における電界制御により、高速な周波数変調を行うことができ、長距離伝送を実現することが可能である。なお、発振周波数の調整は、ラダーフィルタにおける電圧駆動でも実現することができる。
【実施例５】
【００６９】
（多波長光変調信号生成装置）
図２６Ａ，２６Ｂに、本発明の実施例５にかかる多波長光変調信号生成装置の構成を示す。本実施形態を多波長光源に適用する場合について説明する。図２６Ａに示す多波長光変調信号生成装置６０１は、異なる中心波長の光信号を出力する光源６０２−１〜６０２−ｎと、光源６０２からの複数の光信号を合波して波長多重信号を出力する合波器６０３と、波長多重信号を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）６０４と、周波数フィルタ６０５とを含む。合波器６０３は、アレイ導波路型（ＡＷＧ）合分波器、多モード干渉型（ＭＭＩ）合分波器を用いることができる。【００７０】
従来の多波長光源は、光源６０２としてＥＡ-ＤＦＢ-ＬＤを用いていた。従って、上述したように、光信号の立ち上がり、立下り時に光信号の周波数変動を引き起こし、長距離伝送が困難であった。また、ＳＯＡ６０４で増幅する波長多重信号には、強度変調成分を含むため、パターン効果が発生し、光ファイバ伝播時に光信号の劣化を生じていた。【００７１】
そこで、光源６０２として、実施例１〜４に示した光源１０２を適用し、周波数フィルタ６０５を接続して、周波数変動を抑制することにより、高速変調かつ長距離伝送を実現することができる。また、光源６０２から出力される光信号には、強度変調成分を含まないため、ＳＯＡ６０４におけるパターン効果も生じないので、効率よく波長多重信号を増幅することができる。【００７２】
周波数フィルタ６０５は、波長多重信号の波長ごとに個別のフィルタを設けることができる。また、複数の光源６０１からの光信号の中心周波数の周波数間隔が一定である場合は、周波数フィルタを１つにすることができる。この周波数フィルタは、透過ピークの周波数間隔が周期的であり、光信号の周波数間隔の値が、透過ピークの周波数間隔の整数倍となるように設定されている。例えば、光信号の中心周波数の周波数間隔が１００ＧＨｚのとき、ＦＳＲが５０ＧＨｚまたは１００ＧＨｚ等のフィルタを用いればよい。このとき、各々の波長に対して、フィルタの透過スペクトルの中で、同じスロープを用いることができるので、均一な周波数制御が可能となる。このようなフィルタとしては、リングフィルタ、マッハ・ツェンダフィルタ、エタロンフィルタ、複合エタロンフィルタ、ラティスフィルタ、ＡＷＧ等を使用することができる。また、光信号の周波数間隔が不等間隔である場合にも、フィルタの周波数間隔を光信号の周波数間隔に合わせれば、１つのフィルタにより効果を得ることができる。【００７３】
図２６Ｂに示す多波長光変調信号生成装置６０１は、異なる中心波長の光信号を出力する光源６０２−１〜６０２−ｎと、各々の光源からの光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）６０４−１〜６０４−ｎと、半導体光増幅器６０４からの複数の光信号を合波して波長多重信号を出力する合波器６０３と、周波数フィルタ６０５とを含む。光源６０２と合波器６０３と周波数フィルタ６０５は、図２６Ａに示す構成を使用することができる。図２６Ｂに示す構成の場合、各ＳＯＡの駆動電流を調整することで、各チャネルの光出力を増大すると共に、出力光の均一化を行うことができる。【００７４】
この構成においても、光源６０２から出力される光信号は強度変調成分を含まないため、ＳＯＡ６０４−１〜６０４−ｎにおけるパターン効果は生じない。従って、効率よく高速変調かつ高出力の波長多重信号を発生することができ、さらに周波数フィルタ６０５を用いることで、強度変調を生成するとともに周波数変動を抑制することで、高速変調かつ長距離伝送を実現することができる。【００７５】
（多波長光変調信号生成装置の具体例）
図２７に、実施例５にかかる多波長光変調信号生成装置の具体的な構成を示す。図２６Ａに示した多波長光変調信号生成装置６０１の具体的な構成を示す。異なる中心波長の光信号を出力する光源６０２−１〜６０２−４は、ＤＢＲ−ＬＤからなる。各々の光源の発振周波数間隔は２００ＧＨｚである。各々光源は、Ｓ字型導波路６０６−１〜６０６−４により、合波器６０３に接続されている。合波器６０３は、ＭＭＩカプラからなる。合波器６０３の出力は、出力導波路６０７を介して、半導体光増幅器（ＳＯＡ）６０４に接続されている。【００７６】
図２８に、光源の構成を示す。図２７に示した点線ＸＸＶＩＩに沿った垂直方向の断面図である。光源６０２−３は、光の出射方向に向けて、長さ４００μｍの後段ＤＢＲ領域３０１ａ、長さ１００μｍの位相変調領域３０２、長さ１００μｍの活性層領域３０３、長さ２００μｍの前段ＤＢＲ領域３０１ｂ、長さ１０００μｍのＳ字型導波路６０６−３、幅２０μｍ、長さ２００μｍの４×１ＭＭＩ領域６０３、出力導波路６０７、長さ４００μｍのＳＯＡ領域６０４からなる。Ｓ字型導波路および出力導波路は、幅２．５μｍのリッジ構造である。【００７７】
ＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂ、位相調整領域３０２、Ｓ字型導波路６０６−３、ＭＭＩ領域６０３、および出力導波路６０７における鉛直方向の構造は、ドープ量１×１０１８ｃｍ−３のｎ型クラッド層３０４の上に、バンドギャップ波長１．３μｍ、厚さ３００ｎｍのバルクＩｎＧａＡｓＰの導波路層３０５からなる。活性層領域３０３およびＳＯＡ領域６０４における鉛直方向の構造は、ｎ型クラッド層３０４の上に、遷移波長１．５５μｍの、上下に光キャリア分離閉じ込め層を有する８層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層からなる。ＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂの導波路層には、結合定数４０ｃｍ−１の回折格子３０７が設けられている。これらの層の上には、ドープ量１×１０１８ｃｍ−３、厚さ１μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層３０８、厚さ０．５μｍのＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３０９及びｐ側電極３１１が積層されている。また、ｎ型クラッド層３０４の下には、ｎ側電極３１０が設けられている。【００７８】
位相制御領域３０２には位相調整電圧制御装置３１２、ＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂには発振波長制御電流装置３１３ａ，３１３ｂ、活性層領域３０３には活性層電流制御装置３１４、ＳＯＡ領域にはＳＯＡ電流制御装置３１６が接続されている。【００７９】
図２９に、実施例５にかかる光源と制御装置との接続を示す。光源６０２−１〜６０２−４のそれぞれについて、位相制御領域３０２には位相調整電圧制御装置３１２−１〜３１２−４がｐ側電極３１１を介して接続されている。同様にして、ＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂには発振波長制御電流装置３１３ａ−１〜３１３ａ−４，３１３ｂ−１〜３１３ｂ−４、活性層領域３０３には活性層電流制御装置３１４−１〜３１４−４、ＳＯＡ領域にはＳＯＡ電流制御装置３１６が接続されている。【００８０】
図３０Ａに、実施例５にかかる光源の変調時の発振スペクトルを示す。活性層電流制御装置３１４−１〜３１４−４から電流注入を行うと、光源６０２−１〜６０２−４が各回折格子のブラッグ波長に応じて、ほぼ２００ＧＨｚ間隔で発振する。さらに発振波長制御電流装置３１３ａ−１〜３１３ａ−４，３１３ｂ−１〜３１３ｂ−４により、ＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂに電流を流すことで発振波長を調整し、正確に２００ＧＨｚ間隔に設定することができる。【００８１】
位相調整電圧制御装置３１２−１〜３１２−４から、各チャネルに対して、周波数変調振幅１０ＧＨｚ、２０Ｇｂｐｓの変調が加えられる。この信号を中心周波数の周波数間隔が２００ＧＨｚとなるような周波数フィルタを通すことにより強度変調信号を生成する。具体的には、例えば、実施例１に示したＦＳＲ間隔１００ＧＨｚのエタロンフィルタを用いることができる。【００８２】
図３０Ｂに、周波数フィルタの透過スペクトルを示す。このように、全てのチャネルに対して同様のスロープを用いることにより、一度に全チャネルに対して強度変調信号を生成することができる。実施例１に示したように、周波数変動成分を抑制することにより、複数チャネル同時に高速、長距離伝送を実現することができる。
【実施例６】
【００８３】
図３１に、実施例６にかかる多波長光変調信号生成装置の具体的な構成を示す。図２６Ｂに示した多波長光変調信号生成装置６０１の具体的な構成を示す。異なる中心波長の光信号を出力する光源６０２−１〜６０２−４は、ＤＢＲ−ＬＤからなる。各々の光源の発振周波数間隔は２００ＧＨｚである。各々光源は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）６０４−１〜６０４−４およびＳ字型導波路６０６−１〜６０６−４を介して、合波器６０３に接続されている。合波器６０３は、ＭＭＩカプラからなる。合波器６０３の出力は、出力導波路６０７に接続されている。【００８４】
図３２に、光源の構成を示す。図３１に示した点線ＸＸＸＩに沿った垂直方向の断面図である。光源６０２−３は、光の出射方向に向けて、長さ４００μｍの後段ＤＢＲ領域３０１ａ、長さ１００μｍの位相変調領域３０２、長さ１００μｍの活性層領域３０３、長さ２００μｍの前段ＤＢＲ領域３０１ｂ、長さ４００μｍのＳＯＡ領域６０４−３、長さ１０００μｍのＳ字型導波路６０６−３、幅２０μｍ、長さ２００μｍの４×１ＭＭＩ領域６０３、出力導波路６０７からなる。Ｓ字型導波路および出力導波路は、幅２．５μｍのリッジ構造である。【００８５】
ＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂ、位相調整領域３０２、Ｓ字型導波路６０６−３、ＭＭＩ領域６０３、および出力導波路６０７における鉛直方向の構造は、ドープ量１×１０１８ｃｍ−３のｎ型クラッド層３０４の上に、バンドギャップ波長１．３μｍ、厚さ３００ｎｍのバルクＩｎＧａＡｓＰの導波路層３０５からなる。活性層領域３０３およびＳＯＡ領域６０４における鉛直方向の構造は、ｎ型クラッド層３０４の上に、遷移波長１．５５μｍの、上下に光キャリア分離閉じ込め層を有する８層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層からなる。ＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂの導波路層には、結合定数４０ｃｍ−１の回折格子３０７が設けられている。これらの層の上には、ドープ量１×１０１８ｃｍ−３、厚さ１μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層３０８、厚さ０．５μｍのＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３０９及びｐ側電極３１１が積層されている。また、ｎ型クラッド層３０４の下には、ｎ側電極３１０が設けられている。【００８６】
位相制御領域３０２には位相調整電圧制御装置３１２、ＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂには発振波長制御電流装置３１３ａ，３１３ｂ、活性層領域３０３には活性層電流制御装置３１４、ＳＯＡ領域にはＳＯＡ電流制御装置３１６が接続されている。【００８７】
図３３に、実施例６にかかる光源と制御装置との接続を示す。光源６０２−１〜６０２−４のそれぞれについて、位相制御領域３０２には位相調整電圧制御装置３１２−１〜３１２−４がｐ側電極３１１を介して接続されている。同様にして、ＤＢＲ領域３０１ａ，３０１ｂには発振波長制御電流装置３１３ａ−１〜３１３ａ−４，３１３ｂ−１〜３１３ｂ−４、活性層領域３０３には活性層電流制御装置３１４−１〜３１４−４、ＳＯＡ領域にはＳＯＡ電流制御装置３１６−１〜３１６−４が接続されている。【００８８】
実施例５と異なり、光源６０２−１〜６０２−４のそれぞれにＳＯＡ６０４−１〜６０４−４が接続されており、各ＳＯＡに対してはＳＯＡ電流制御装置３１６−１〜３１６−４が接続されている。この光源を使用して、図３０で示したように実施例５と同様に、周波数変調動作を行い、周波数フィルタを用いることにより、複数チャネル同時に高速、長距離伝送を実現することができる。
【実施例７】
【００８９】
実施例５に記載したＳＯＡは、多波長光源のみならず、実施例１〜４の光源１０２に適用することもできる。光源１０２と周波数フィルタ１０３との間に、ＳＯＡを挿入することにより、高速変調かつ長距離伝送を実現することができる。【００９０】
図３４は、実施例７にかかる光源の具体的な構成を示す。光源１０２は、図２３に示した実施例２にかかる光源にＳＯＡを追加した。すなわち、光源１０２は、ＤＢＲ領域３０１ａと、光の出射方向に向けて、位相調整領域３０２と、活性層領域３０３と、ＤＢＲ領域３０１ｂと、半導体光増幅器（ＳＯＡ）領域３１５を備えた分布ブラッグ反射型レーザである。ＳＯＡ領域３１５にはＳＯＡ電流制御装置３１６が接続されている。半導体光増幅器側の端面には、反射防止膜を施してある。【００９１】
活性層電流制御装置３１４からの電流注入により、ＤＢＲ領域３０１ａと３０１ｂの間でレーザ発振し、位相調整領域３０２の位相調整電圧で周波数変調が重畳される。周波数変調信号は、出射側ＤＢＲ領域３０１ｂからＳＯＡ領域３１５に入力され、ＳＯＡ電流制御装置３１６からＳＯＡ領域に入力された電流により増幅される。このとき、出力される光信号は強度変調成分を含まないため、ＳＯＡ領域におけるパターン効果が生じない。従って、効率よく信号光を増幅することができ、高出力化を図ることができる。この光源に周波数フィルタ１０３を接続して、周波数変動を抑制することにより、高速変調かつ長距離伝送を実現することができる。
【実施例８】
【００９２】
（その他の実施例）
実施例１〜４においては、光信号の周波数変調成分を強度変調及び周波数変調成分に変換する周波数フィルタとしてエタロンフィルタ、マッハ・ツェンダフィルタ、ラティス型フィルタ、複合共振エタロンフィルタ、リング共振器フィルタを示したが、その他、ファイバーブラッググレーティング、ＡＷＧ等の各種フィルタを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。上述したように、透過型のフィルタのみならず、反射型のミラーを構成してもよい。【００９３】
また、光源における波長選択型フィルタ領域に用いる構成としては、透過特性、反射特性に波長選択性があれば適用できることは言うまでもない。【００９４】
実施例１〜４においては、ＮＲＺ信号の「１」に対応する信号の周波数は、「０」に対応する周波数に対して高い周波数を設定した。逆に、「１」に対応する信号の周波数を、「０」に対応する周波数に対して低い周波数に設定することもできる。このとき、図９に示した周波数設定条件は、「０」に対応する光信号の周波数を透過ピークにして、「１」に対応する光信号の周波数を高周波側に設定する。【００９５】
実施例１〜４においては、光信号の強度変調成分がない場合のみを記述したが、強度変調成分が存在した場合においても、高速変調の面で劣るものの、周波数制御は可能であり、本実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態の信号源からの信号はＮＲＺ信号としたが、その他ＲＺ信号等を用いても同様の効果が得られる。【００９６】
以上説明したように、本実施形態によれば、周波数変調成分のみを有する光信号を、周波数フィルタを用いることにより、強度変調成分と周波数変調成分とに変換し、周波数変調時の周波数変動を抑制するので、高速変調かつ長距離伝送が可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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】
2009001861.tif 000041
【図９】
2009001861.tif 000042
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
2009001861.tif 000049
【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
2009001861.tif 000051
【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
2009001861.tif 000053
【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際調査報告】
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