(57)【要約】【課題】半導体レーザから出射した光信号の戻り光を、光アイソレータを用いることなく遮断し小型化を実現することを可能とする光受信器および光送受信システムを提供すること。【解決手段】光受信器１０は、半導体レーザ１１からの光信号であって、光信号の緩和振動周波数は変調信号の基本周波数以上に設定されている、光信号を入力する光信号入力部２１と、光信号を電気信号に変換するフォトダイオード２２と、変換された電気信号の高域遮断周波数を有するローパスフィルタ２４とを含み、高域遮断周波数は、緩和振動周波数と変調信号の基本周波数との間の周波数となるように設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザからの光信号であって、前記光信号の緩和振動周波数は変調信号の基本周波数以上に設定されている、光信号を入力する光信号入力部と、
前記光信号を電気信号に変換する変換部と、
前記変換された電気信号の高域遮断周波数を有するローパスフィルタとを含み、
前記高域遮断周波数は、前記緩和振動周波数と前記変調信号の基本周波数との間の周波数となるように設定される
ことを特徴とする光受信器。
【請求項２】
前記緩和振動周波数は、前記変調信号の基本周波数の５倍以上の周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
【請求項３】
前記緩和振動周波数は、前記変調信号の基本周波数の３倍以上の周波数を有し、前記半導体レーザの出力消光比は、9dB以上であることを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光受信器と、前記光受信器に送信する光信号を生成する半導体レーザを備える光送信器とを含む光送受信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信ネットワークを利用して光信号を受信する光受信器および光送受信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークを利用して行われる光送受信システムにおいて、半導体レーザから出射した光信号が反射して戻る場合（以下、この反射光を「戻り光」という。）がある。かかる場合には半導体レーザの発振状態が不安定になり、伝送の誤りが生じる。そのため、例えば特許文献１では、光アイソレータを半導体レーザの出力段に設け、光アイソレータが戻り光を遮断するようになっている。
【０００３】
図１８は、特許文献１に開示された光モジュールである。特許文献１に記載の光モジュール１０００は、レーザ光を発生する半導体レーザ素子１００１と、上記レーザ光の光強度に応じた光強度信号を生成する受光素子１００２と、半導体レーザ素子１００１からのレーザ光をコリメートするためのレンズ１００３とを備える。この光モジュール１０００はさらに、光ファイバからの外部雑音光を遮断するための光アイソレータ１００４と、半導体レーザ素子１００１からのレーザ光を光ファイバに集光するためのレンズ１００５と、光信号を外部に出力する出力部１００６とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された光モジュールでは、光アイソレータを備える。しかしながら、光アイソレータに平行光を与えるためのレンズ系を構成するため、小型化が制限される。
【０００６】
そこで本発明は、上記のような問題に対応してなされたものであり、半導体レーザから出射した光信号の戻り光を、光アイソレータを用いることなく遮断し小型化を実現することを可能とする光受信器および光送受信システム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】
【０００７】
上記問題を解決するための光受信器は、半導体レーザからの光信号であって、前記光信号の緩和振動周波数は変調信号の基本周波数以上に設定されている、光信号を入力する光信号入力部と、前記光信号を電気信号に変換する変換部と、前記変換された電気信号の高域遮断周波数を有するローパスフィルタとを含み、前記高域遮断周波数は、前記緩和振動周波数と前記変調信号の基本周波数との間の周波数となるように設定されるものである。
【０００８】
ここで、前記緩和振動周波数は、前記変調信号の基本周波数の５倍以上の周波数を有するようにしてもよい。
【０００９】
前記緩和振動周波数は、前記変調信号の基本周波数の３倍以上の周波数を有し、前記半導体レーザの出力消光比は、9dB以上であるようにしてもよい。
【００１０】
また、上記問題を解決するための光送受信システムは、前記光受信器と、前記光受信器に送信する光信号を生成する半導体レーザを備える光送信器とを含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、半導体レーザから出射した光信号の戻り光を、光アイソレータを用いることなく遮断し小型化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る光送受信システムの概略構成の一例を示す図である。
【図２】消光比が３ｄｂの場合の半導体レーザの変調信号を説明するための図である。
【図３】戻り光が存在しない場合において、図２の変調信号に基づいて動作する半導体レーザの光出力波形を説明するための図である。
【図４】図３の光出力波形を出力する場合における光出力のアイ波形を説明するための図である。
【図５】図４のアイ波形を出力する場合における光出力のスペクトラム強度を説明するための図である。
【図６】戻り光が存在する場合において、図２の変調信号に基づいて動作する半導体レーザの光出力波形を出力する場合における光出力のアイ波形を説明するための図である。
【図７】図６のアイ波形を出力する場合における光出力のスペクトラム強度を説明するための図である。
【図８】実際にローパスフィルタを透過した後の波形を説明するための図である。
【図９】消光比が９ｄｂの場合の半導体レーザの変調信号を説明するための図である。
【図１０】戻り光が存在しない場合において、図９の変調信号に基づいて動作する半導体レーザの光出力波形を説明するための図である。
【図１１】図１０の光出力波形を出力する場合における光出力のアイ波形を説明するための図である。
【図１２】図１１のアイ波形を出力する場合における光出力のスペクトラム強度を説明するための図である。
【図１３】戻り光が存在する場合において、図９の変調信号に基づいて動作する半導体レーザの光出力波形を出力する場合における光出力のアイ波形を説明するための図である。
【図１４】図１３のアイ波形を出力する場合における光出力のスペクトラム強度を説明するための図である。
【図１５】実際にローパスフィルタを透過した後の図１３の波形を説明するための図である。
【図１６】アイ開口度を説明するための図である。
【図１７】緩和振動周波数と変調周波数との比率に応じたアイ開口度の変化を説明するための図である。
【図１８】従来の光モジュールの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態である光受信器を含む光送受信システムについて説明する。実施形態に係る光送受信システムは、半導体レーザから出射した光信号の戻り光を遮断するための光モジュールである。
【００１４】
[光送受信システムの構成]
図１は本発明の実施形態に係る光送受信システム１の構成例を示す図である。
【００１５】
図１に示す光送受信システム１では、光送信器１０が光ファイバ３０を介して光受信器２０と接続可能に構成され、光合分波器５０が光ファイバ３０と接続されている。光合分波器５０はさらに、光ファイバ３１を介して反射点４０に接続されている。光ファイバ３０，３１は、例えばシングルモード光ファイバ等である。
【００１６】
この光送受信システム１では、光送信器１０から出射した光信号が光ファイバ（光伝送路）３０を伝送し、光合分波器５０を介して、光受信器２０および反射点４０に伝搬される。光信号が反射点４０に伝播されると、反射点４０で反射した光、すなわち戻り光が、光ファイバ（光伝送路）３１を介して光合分波器５０経由で光送信器１０に伝搬される。戻り光の強度は一般に、光伝送路の距離や損失により変化する。
【００１７】
図１において、この実施形態の光送信器１０および光受信器２０は、戻り信号を遮断し、光出力波形の劣化を防止するための機能を有する。
【００１８】
[光送信器１０]
図１に示すように、光送信器１０は、光信号を発生する半導体レーザ(Leaser)（以下、ＬＤと略記する。）１１と、変調信号入力部１２と、光信号出力部１３とを備える。ＬＤ１１は、例えば直接変調型の分布帰還型レーザの場合について示しているが、他の構成、例えば外部変調型のレーザを適用することもできる。
【００１９】
この実施形態のＬＤ１１では、緩和振動周波数は、変調信号の基本周波数以上に設定される。
【００２０】
変調信号入力部１２は、ＬＤ１１に与える変調信号を入力するようになっている。ＬＤ１１は、変調信号入力部１２からの変調信号に応じて出力光の強度を変化させる。
【００２１】
光信号出力部１３は、ＬＤ１１の光出力を外部に出力する。
【００２２】
[光受信器２０]
図１に示すように、光受信器２０は、光信号入力部２１と、フォトダイオード（変換部）２２と、トランスインピーダンスアンプ（Trans Impedance Amplifier）（以下、ＴＩＡと略記する。）２３と、ローパスフィルタ２４と、電気信号出力部２５とを備える。
【００２３】
光信号入力部２１は、光送信器１０のＬＤ１１からの光信号を入力するようになっている。
【００２４】
フォトダイオード２２は、光信号を電流信号（電気信号）に変換して電流信号を出力する。フォトダイオード２２は、例えばＰＩＮフォトダイオード等である。
【００２５】
ＴＩＡ２３は、フォトダイオード２２からの電流信号をインピーダンス変換して増幅し、増幅後の信号を電圧信号（電気信号）として出力する。
【００２６】
ローパスフィルタ２４は、遮断周波数より高い周波数の成分を逓減させる。ローパスフィルタ２４としては、ベッセル型ローパスフィルタ等がある。
【００２７】
この実施形態のローパスフィルタ２４では、遮断周波数は、前述の緩和周波数と、上記変調信号の基本周波数との間の高域周波数となるように設定される。
【００２８】
電気信号出力部２５は、ローパスフィルタ２４の電圧信号を出力する。
【００２９】
[ＬＤ１１の動作]
次に、仮に戻り光が存在しない場合におけるＬＤ１１の動作条件について図２〜図５を参照して説明する。図２は、ＬＤ出力の消光比が３ｄｂの場合のＬＤ１１の変調信号を説明するための図である。図３は、図２の変調信号に基づいて動作するＬＤ１１の光出力波形を説明するための図である。図４は、光出力のアイ波形を説明するための図であって、（ａ）は変調信号の基本周波数が２ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が３ＧＨｚの場合と、（ｃ）は変調信号の基本周波数が４ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が５ＧＨｚの場合とを示す。図５は、図４のアイ波形を出力する場合における光出力のスペクトラム強度を説明するための図であって、（ａ）は変調信号の基本周波数が２ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が３ＧＨｚの場合と、（ｃ）は変調信号の基本周波数が４ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が５ＧＨｚの場合とを示す。
【００３０】
図２において、変調信号は正弦波となっており、変調信号の最大値は、例えば６０ｍＡとなる。一方、変調信号の最小値は、例えば３０ｍＡとなる。この場合には、消光比は３ｄＢとなる。
【００３１】
光出力強度は、図３に示すような値をとる。すなわち、光出力強度は、０．１５ｎｓ付近でピークを有し、このピークを過ぎると、急激に小さくなる。図３の例では、緩和振動周波数は１１ＧＨｚとなる。
【００３２】
この実施形態では、変調信号の周波数として、例えば２ＧＨｚ，３ＧＨｚ，４ＧＨｚ，５ＧＨｚが与えられており、光出力のアイ波形は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、それぞれの周波数に対応する光強度を有する。この場合、光出力の強度スペクトラムとして、例えば図５（ａ）〜（ｄ）に示すような縦モードが与えられる。
【００３３】
一方、前述の動作条件、すなわち、消光比ＥｒがＥｒ＝３ｄｂ、緩和振動周波数ｆｒがｆｒ＝１１ＧＨｚで、かつ反射点４０で反射する戻り光が存在する場合には、本実施形態のＬＤ１１の光出力のアイ波形は、図６に示すような値をとる。図６は、戻り光が存在する場合におけるＬＤ１１の光出力のアイ波形を説明するための図であって、（ａ）は変調信号の基本周波数が２ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が３ＧＨｚの場合と、（ｃ）は変調信号の基本周波数が４ＧＨｚの場合と、（ｄ）は変調信号の基本周波数が５ＧＨｚの場合とを示す。
【００３４】
ここで、光送受信システム１では、戻り光によって、例えば、反射点４０とＬＤ１１の反射端面との間で外部共振器が形成され、この外部共振器の共振器長に応じた共振モードが発生する場合を想定する。この場合、図６（ａ）〜（ｄ）に示す光出力のアイ波形は、ＬＤ１１の光信号と、外部共振器の光信号とが重畳し、変調信号（２ＧＨｚ，３ＧＨｚ，４ＧＨｚ，５ＧＨｚ）よりも速い成分の振動を含む波形となる。
【００３５】
図７は、図６と同一の例において、光出力のスペクトラム強度を説明するための図であって、（ａ）は変調信号の基本周波数が２ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が３ＧＨｚの場合と、（ｃ）は変調信号の基本周波数が４ＧＨｚの場合と、（ｄ）は変調信号の基本周波数が５ＧＨｚの場合とを示す。
【００３６】
図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、緩和振動周波数の近傍には、外部共振器の共振モードに相当する縦モードが与えられる。
【００３７】
[ローパスフィルタ２４の動作]
次に、ローパスフィルタ２４の動作について図８を参照して説明する。
【００３８】
図８は、図６〜図７と同一の例において、ローパスフィルタ２４の出力波形を説明するための図であって、（ａ）は変調信号の基本周波数が２ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が３ＧＨｚの場合と、（ｃ）は変調信号の基本周波数が４ＧＨｚの場合と、（ｄ）は変調信号の基本周波数が５ＧＨｚの場合とを示す。
【００３９】
ここでは、ローパスフィルタ２４が４次ベッセルフィルタとし、ローパスフィルタ２４の高域遮断周波数を、例えば変調信号の基本周波数の１．５倍（変調信号の基本周波数以上）に設定されている場合を想定する。この場合、図８（ａ）〜（ｄ）の出力波形は、図６（ａ）〜（ｄ）のものよりも整形され、ローパスフィルタ２４によって、波形の劣化が防止できる。
【００４０】
図８（ａ）〜（ｄ）において、変調信号の基本周波数が高くなると、すなわち、基本（ａ）基本周波数が２ＧＨｚ→（ｂ）基本周波数が３ＧＨｚ→（ｃ）基本周波数が４ＧＨｚ→（ｄ）基本周波数が５ＧＨｚになるにつれ、緩和振動周波数（この実施形態では、例えば、１１ＧＨｚ）付近に生じる縦モードが波形に与える影響を無視できなくなる。換言すると、変調信号の基本周波数が高いほど、ローパスフィルタ２４が高域周波数成分を遮断しきれなくなる。
【００４１】
この観点から、本実施形態の光送受信システム１では、後述するアイ開口度が所定の値（０．６以上）になるように、例えば、緩和振動周波数をｆｒ、変調信号の基本周波数をｆｍとすると、ｆｒ／ｆｍ＝５以上としている。なお、アイ開口度の値を０．６以上に設定したのは一例に過ぎない。ｆｒ／ｆｍの比率は、アイ開口度の値に応じて決定される。
【００４２】
以上では、ＬＤ１１の消光比が３ｄｂの場合について説明したが、例えば消光比を９ｄｂ、すなわち、最大電流を６０ｍＡ、最小電流を７ｍＡとしてもよい。この場合に、仮に戻り光が存在しないときのＬＤ１１の動作条件について図９〜図１２を参照して説明する。
【００４３】
図９は、ＬＤ１１の消光比が９ｄｂの場合の変調信号を説明するための図である。図１０は、図９の変調信号に基づいて動作するＬＤ１１の光出力波形を説明するための図である。図１１は、光出力のアイ波形を説明するための図であって、（ａ）は変調信号の基本周波数が２ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が３ＧＨｚの場合と、（ｃ）は変調信号の基本周波数が４ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が５ＧＨｚの場合とを示す。図１２は、図１１のアイ波形を出力する場合における光出力のスペクトラム強度を説明するための図であって、（ａ）は変調信号の基本周波数が２ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が３ＧＨｚの場合と、（ｃ）は変調信号の基本周波数が４ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が５ＧＨｚの場合とを示す。
【００４４】
図９において、変調信号は正弦波となっており、変調信号の値が最大になるのは、例えば６０ｍＡとなる。一方、変調信号の値が最小になるのは、例えば７ｍＡとなる。この場合には、消光比は９ｄＢとなる。
【００４５】
光出力強度は、図１０に示すような値をとる。すなわち、光出力強度は、０．１７ｎｓ付近でピークを有し、このピークを過ぎると、急激に小さくなる。図１０の例では、緩和振動周波数は１２ＧＨｚとなる。
【００４６】
この例においても、変調信号の基本周波数として、例えば２ＧＨｚ，３ＧＨｚ，４ＧＨｚ，５ＧＨｚが与えられており、光出力のアイ波形は、図１１（ａ）〜（ｄ）に示すように、それぞれの周波数に対応する光強度を有する。この場合、光出力の強度スペクトラムとして、例えば図１２（ａ）〜（ｄ）に示すような縦モードが与えられる。
【００４７】
一方、前述の動作条件、すなわち、消光比ＥｒがＥｒ＝９ｄｂ、緩和振動周波数ｆｒがｆｒ＝１２ＧＨｚで、かつ反射点４０で反射する戻り光が存在する場合には、本実施形態のＬＤ１１の光出力のアイ波形は、図１３に示すような値をとる。図１３は、戻り光が存在する場合におけるＬＤ１１の光出力のアイ波形を説明するための図であって、（ａ）は変調信号の基本周波数が２ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が３ＧＨｚの場合と、（ｃ）は変調信号の基本周波数が４ＧＨｚの場合と、（ｄ）は変調信号の基本周波数が５ＧＨｚの場合とを示す。
【００４８】
ここでも、戻り光によって、例えば、反射点４０とＬＤ１１の反射端面との間で外部共振器が形成され、この外部共振器の共振器長に応じた共振モードが発生する場合を想定する。この場合、図１３（ａ）〜（ｄ）に示す光出力のアイ波形は、ＬＤ１１の光信号と、外部共振器の光信号とが重畳し、変調信号（２ＧＨｚ，３ＧＨｚ，４ＧＨｚ，５ＧＨｚ）よりも速い成分の振動を含む波形となる。
【００４９】
図１４は、図１３と同一の例において、光出力のスペクトラム強度を説明するための図であって、（ａ）は変調信号の基本周波数が２ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が３ＧＨｚの場合と、（ｃ）は変調信号の基本周波数が４ＧＨｚの場合と、（ｄ）は変調信号の基本周波数が５ＧＨｚの場合とを示す。
【００５０】
図１４（ａ）〜（ｄ）に示すように、緩和振動周波数の近傍には、外部共振器の共振モードに相当する縦モードが与えられる。
【００５１】
[ローパスフィルタ２４の動作]
次に、ローパスフィルタ２４の動作について図１５を参照して説明する。
【００５２】
図１５は、図１３〜図１４と同一の例において、ローパスフィルタ２４の出力波形を説明するための図であって、（ａ）は変調信号の基本周波数が２ＧＨｚの場合と、（ｂ）は変調信号の基本周波数が３ＧＨｚの場合と、（ｃ）は変調信号の基本周波数が４ＧＨｚの場合と、（ｄ）は変調信号の基本周波数が５ＧＨｚの場合とを示す。
【００５３】
ここでは、ローパスフィルタ２４が４次ベッセルフィルタとし、ローパスフィルタ２４の高域遮断周波数を、例えば変調信号の基本周波数の１．５倍（変調信号の基本周波数以上）に設定されている場合を想定する。この場合、図１５（ａ）〜（ｄ）の出力波形は、図１３（ａ）〜（ｄ）のものよりも整形され、ローパスフィルタ２４によって、波形の劣化が補償されている。
【００５４】
図１５（ａ）〜（ｄ）のアイ波形は、前述の図８のものよりもアイ開口度が向上している。
【００５５】
以上から、ＬＤ１１の緩和振動周波数を高く、かつ、ＬＤ１１の出力消光比を大きくすることにより、戻り光がＬＤ１１の光出力に与える影響を抑えることができる。つまり、光出力波形の劣化を抑えることができる。
【００５６】
この観点から、本実施形態の光送受信システム１では、ローパスフィルタ２４の出力波形のアイ開口度と、ＬＤ１１の緩和振動周波数ｆｒに対する変調信号の基本周波数ｆｍの比率（ｆｒ／ｆｍ）との関係について、ＬＤ１１の消光比をパラメータとして観察することができる。この点について図１６〜図１７を参照して説明する。
【００５７】
図１６は、ローパスフィルタ２４の出力波形のアイ開口度を説明するための図である。図１６において横軸は時間、縦軸は光出力強度を表す。
【００５８】
図１６に示すアイ開口度は、ｂ／ａである。なお、ａはpeak to peak値、ｂは振幅値を示す。
【００５９】
図１７は、緩和振動周波数と変調周波数との比率に応じたアイ開口度の変化を説明するための図である。
【００６０】
図１７では、アイ開口度の目標値（一点鎖線で示す。）が与えられ、消光比＝３ｄｂ（実線で示す。）の場合と、消光比＝９ｄｂ（破線で示す。）の場合とが表してある。図１７の例では、消光比＝３ｄｂ（実線で示す。）の場合には、アイ開口度が目標値以上となるのは、横軸の値であるｆｒ／ｆｍが５以上の場合である。
【００６１】
一方、消光比＝９ｄｂ（破線で示す。）の場合には、アイ開口度が目標値以上となるのは、横軸の値であるｆｒ／ｆｍが３以上の場合である。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態の光送受信システム１によれば、ＬＤ１１からの光信号を受信する光受信器２０は、光信号を電気信号に変換するフォトダイオード２４と、この電気信号の高域遮断周波数を有するローパスフィルタ２４とを含む。ここで、ＬＤ１１の緩和振動周波数は変調信号の基本周波数以上に設定され、かつローパスフィルタ２４の高域遮断周波数は、緩和振動周波数と変調信号の基本周波数との間の周波数を有するように設定される。これにより、光受信器２０は、戻り光を有する条件下でＬＤ１１からの光信号を受信する場合であっても、その光信号を整形することができる。また、光受信器２０は、光アイソレータおよびレンズ系を有することなく、構成することができる。したがって、光受信器２０および光送受信システム１の小型化を実現できる。
【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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