(57)【要約】【課題】集積された増幅器及び前置歪み回路をもつ光送信機を提供すること。【解決手段】情報信号を受信するための電気入力部が配設されたハウジングと、入力信号を電子的に増幅する増幅器と、該増幅器の出力部に接続され、情報信号に対応して該ハウジングから外部に放射される変調光ビームを生成するレーザと、を含む光送信機。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信信号を受信するための電気入力部を含むハウジングと、
前記ハウジング内に配設され、前記電気入力部に接続されて、前記通信信号を電子的に増幅する増幅器と、
前記ハウジング内に配設され、前記増幅器に接続されて、前記通信信号に対応して該ハウジングから外向きに放射される変調光ビームを生成するレーザと、
を含むことを特徴とする光送信機モジュール。
【請求項２】
前記レーザが前記電気通信信号によって振幅変調された請求項１に記載の送信機。
【請求項３】
前記ハウジングが密閉シールされた請求項１に記載の送信機。
【請求項４】
前記増幅器がコレクタ共通増幅器として構成されたバイポーラトランジスタを含む請求項１に記載の送信機。
【請求項５】
前記増幅器がドレイン共通増幅器として構成されたＦＥＴを含む請求項１に記載の送信機。
【請求項６】
前記通信信号がアナログ無線周波数信号である請求項１に記載の送信機。
【請求項７】
前記増幅器に接続され、前記ハウジング内に配設される前置歪み回路をさらに備えた請求項７に記載の送信機。
【請求項８】
通信信号を受信するための電気入力部を含むハウジングと、
前記ハウジング内に配設され、前記電気入力部に接続されて、前記通信信号を電子的に修正する前置歪み回路と、
前記ハウジング内に配置され、前記回路に接続されて、前記通信信号に対応して該ハウジングから外部に放射される変調光ビームを生成するレーザと、
を含むことを特徴とする光送信機モジュール。
【請求項９】
前記ハウジングが密閉シールされた請求項８に記載の送信機。
【請求項１０】
前記通信信号がアナログ無線周波数信号である請求項８に記載の送信機。
【請求項１１】
入力情報信号を受信するため及び変調電流出力を生成するためのドライバ回路と、
前記ドライバ回路に接続される中間回路と、前記中間回路に接続され、前記入力情報信号を表す変調光ビームを生成するための半導体レーザと、前記中間回路及びレーザの周囲温度を制御するための温度制御要素とを含むパッケージレーザモジュールと、
を含むことを特徴とする光送信機。
【請求項１２】
前記パッケージモジュールが密閉シールされた特徴とする請求項１１に記載の送信機。
【請求項１３】
前記中間回路が前置歪み回路である請求項１１に記載の送信機。
【請求項１４】
前記増幅器がソースフォロア増幅器を含み、前記レーザが増幅器トランジスタのソースに結合された請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１５】
前記増幅器がカスコード増幅器を含み、前記レーザがカスコードトランジスタと相互コンダクタンストランジスタとの間に結合された請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１６】
増幅器がソース共通増幅器を含み、前記レーザが増幅器トランジスタのドレインに結合された請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１７】
前記増幅器と前置歪みが与えられたアナログ入力信号との間の第１の電極に結合されたＤＣブロッキングコンデンサをさらに含む請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１８】
レーザダイオードとレーザバイアス制御信号との間に結合されたインダクタをさらに含み、前記インダクタが前記レーザダイオードに対するＤＣ電流経路を与える請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１９】
前記増幅器の第１の電極と接地との間に結合されたインピーダンス整合抵抗器をさらに含む請求項１１に記載の光送信機。
【請求項２０】
前記増幅器の第１の電極に結合された前置歪み回路をさらに含み、前記前置歪み回路が、前記レーザダイオードにより生成される固有の歪に対して、実質的に、大きさが等しく、かつ符号が逆である前置歪み信号を生成する請求項１１に記載の光送信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光送信機に関し、より具体的には、アナログ又はデジタル電気出力信号を有するコンピュータ又は通信ユニットと、光ファイバ通信システムに用いられるような光ファイバとの間に通信インターフェースを与えるパッケージ組立体又は密閉シールされたモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ又は通信ユニットからのアナログ又はデジタル電気信号を、半導体レーザモジュールに印加される変調電流に変換する変調器回路を含む種々の光送信機が当該技術分野に公知であり、これは、光ファイバに結合される変調光信号又は光ビームを生成する。
【０００３】
従来技術のモジュールは、時には、レーザのインピーダンス（典型的には約４オーム）を、モジュールの入力インピーダンス（ＣＡＴＶの用途において典型的には２５オーム）に整合させるためのインピーダンス整合抵抗器と、レーザ及び例えばモジュールの内側にある他の関連する構成部品の温度を安定させるための熱電冷却機（ＴＥＣ）とを含む。インピーダンス整合抵抗器がレーザと直列に用いられる場合には、レーザを駆動させるために、外部レーザドライバの電圧の揺れを増加させて、適切な変調電流を与えなければならない。このような大きい電圧の揺れは、レーザドライバの供給電圧の増加を必要とし、システム全体の電力損失を増加させる。結果として、このような従来技術の送信機は相対的に大きく、典型的には１０ワットより大きい相当量の電力を消費する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
Ａｎａｄｉｇｉｃｓ  ＡＣＡ２３０４集積回路のような従来技術の光送信機で用いられる増幅器は、相当量の熱（約６ワット）を放散し、プリント回路基板上で大量の空間を占める。別の問題は、増幅器が典型的には数インチだけレーザダイオードから間隔をもって配置されており、それゆえにこのような設計は、増幅器回路とレーザダイオードとの間で用いられる何らかの形態のインピーダンス整合回路（例えば、変圧器）を必要とすることである。したがって、アナログＲＦ用途においては、光送信機のサイズ及び所要電力を減少させることが望ましいが、本発明以前には、集積回路の相対的に大きいサイズ、及び、これに関連した電力要求問題並びに熱放散問題のために、増幅器集積回路をレーザパッケージ内に実装することは可能ではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、集積信号増幅器により直接変調されたレーザを用いる改善された光送信システムを提供することである。
本発明の別の目的は、小型で低い電力損失をもつ、モジュラ式のパッケージレーザ及び増幅器のサブアセンブリを用いる改善された光送信機を提供することである。
本発明の別の目的は、１つ又はそれ以上の増幅器ゲインステージ及び前置歪み回路を含む、異なる光送信システム及び光電子構成部品と併せて用いるためのレーザ送信機を提供することである。
本発明の別の目的は、レーザ及び中間回路の両方の温度を安定させるように、レーザパッケージにおいてＴＥＣ冷却器をもつ光送信システムで用いるための光送信機を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、半導体レーザと共にパッケージに集積された前置歪み回路をもつ密閉シールされたパッケージを有する光送信システムにおいて用いるための光送信機を提供することである。
【０００６】
簡単に、一般的に言うと、本発明は、アナログ信号入力部、レーザ、及び該レーザを直接変調するための増幅器回路を含むモジュラ式のパッケージ光送信機を提供する。
別の態様においては、本発明は、通信信号を受信するための電気入力部を有するハウジングと、該ハウジング内に配設され、該電気入力部に接続されて該通信信号を電子的に増幅する増幅器と、該ハウジング内に配置され、該増幅器に接続されて、該通信信号に対応して該ハウジングから外部に放射される変調光ビームを生成するレーザと、を含む光送信機モジュールを提供する。
本発明はさらに、レーザの非線形動作によって生成される二次及び高次の歪生成物を減少させるための前置歪み回路を含むパッケージレーザを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１Ａは、ドライバ及び増幅器がレーザモジュールの外部にある従来技術による第１の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
図１Ｂは、ドライバ及び前置歪み回路がレーザモジュールの外部にある従来技術による第２の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
【０００８】
図２は、ドライバ及び増幅器がレーザモジュールの外部にあり、前置歪み器及びレーザが単一のパッケージに集積された本発明による第１の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。本発明の１つの実施形態においては、レーザ光送信機は、レーザモジュールの外部にある１つ又はそれ以上の増幅器ステージ及び該レーザモジュールに集積された前置歪み回路を含む。
【０００９】
図３Ａは、ドライバがレーザモジュールの外部にあり、増幅器及び前置歪み器が該レーザモジュールに集積された本発明による第２の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。本発明のこの実施形態においては、レーザ光送信機は、レーザモジュールの内部にある１つ又はそれ以上の増幅器ステージと、同様に該レーザモジュールに集積された前置歪み回路とを含む。このような例示的な光送信機は、インピーダンス整合変圧器及び増幅器のような他の大きい構成部品を排除することによって、従来の送信機より小さくすることができ、それによって、より高密度の装置をプリント回路基板に集積することを可能する。さらに、ゲインステージが、ここでは、レーザダイに直接隣接するように位置決めされるので、説明される例示的な送信機の消費電力もまた従来の装置よりかなり低くなり、それによって、レーザダイオードと直列のインピーダンス整合抵抗器の必要性をなくす。
図３Ｂは、ドライバがレーザモジュールの外部にあり、増幅器及び前置歪み器が図３Ａとは異なる順番で該レーザモジュールに集積された本発明による第３の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
【００１０】
図４Ａは、ドライバがレーザモジュールの外部にあり、増幅器がＴＥＣ冷却器上で該レーザモジュールに集積された本発明による第４の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
図４Ｂは、ドライバがレーザモジュールの外部にあり、増幅器及び前置歪み器がＴＥＣ冷却器上で該レーザモジュールに集積された本発明による第４の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
【００１１】
図示実施形態においては、レーザ出力を変調するためのアナログデータ信号を与えるアナログデータソース１２が前置歪み器２２に結合される。特定のアナログ送信機に固有の歪は、線形電気変調信号が線形に光信号に変換されることを阻止し、代わりにこの信号を歪ませる。
【００１２】
前置歪み器２２は、アナログ変調信号と組み合わせられる歪信号を生成する。このように生成された歪又は前置歪みは、非線形レーザ１８に固有の二次又は高次の相互変調生成物の歪と実質的に大きさが等しく、かつ符号が逆になるように調整される。非線形レーザ１８が組み合わせ信号によって変調された場合には、該レーザに固有の歪が、前置歪み器２２によって生成される歪信号によって取り消され、アナログソース信号の線形部分のみが送信される。
【００１３】
例えば、１つの実施形態においては、前置歪み器２２がアナログ信号データを２つ又はそれ以上の電気経路に分割して、非線形レーザ１８に固有の歪に類似している前置歪みを経路の１つ又はそれ以上に生成する。生成された前置歪みは非線形レーザ１８に固有の歪の逆であり、非線形装置に適用する前に入力信号と再び組み合わせられた場合には、装置に固有の歪の効果を取り消すのに役立つものとなる。
【００１４】
本実施形態においては、前置歪み器信号がゲインステージ１６を駆動させ、これは次いで、非線形レーザ１８を駆動させる。ゲインステージは、多数のステージを有することができ、例えば、変調振幅及びバイアスのようなレーザ出力の種々の異なるパラメータを制御するための１つ又はそれ以上の制御信号を受信することができる。説明された例示的な実施形態においては、ゲインステージ１６及びレーザ１８は、電気信号のＲＦ送信波長より短い距離だけ分離される。それゆえに、本実施形態においては、ゲインステージは、ＲＦ反射の影響を減少させるためのインピーダンス整合抵抗器を必要とすることなく、レーザの入力部に直接結合される。さらに、本実施形態におけるゲインステージはまた、インピーダンス整合抵抗器に介入することなく互いに直接結合することができる。
【００１５】
それゆえに、説明された例示的な実施形態は、通常の光送信機と比較して、より低い電源電圧を使用することができ、電力損失を減少させることができる。必要とされる電圧及び電力の削減は、前置歪みゲインステージとレーザとの間のインピーダンス整合抵抗器がないことに大きく起因する。
【００１６】
レーザ１８は、レーザダイオード、Ｆａｂｒｙ  Ｐｅｒｏｔレーザ又は光通信に適した他のどのような光送信機であってもよい。光受信機２２は、光送信媒体２０を介してレーザ１８によって出力される線形アナログ変調送信信号出力を受信する。光受信機２２は、受信した光信号を検出し、該受信した光信号を電気信号に変換するための１つ又はそれ以上のフォトダイオードを含むことができる。
【００１７】
図５は、本発明による例示的な実施形態における光送信機１００の概略図である。例えば、光送信機１００は、光ファイバ通信システムにおいて光送信機として用いることができる。いくつかの実施形態においては、ＤＣブロッキングコンデンサ１０２は、前置歪みアナログデータ信号を増幅器１０５と結合する。図示実施形態はさらに、接地のために分路されたインピーダンス整合抵抗器１２０を含むことができる。インピーダンス整合抵抗器１２０は、レーザモジュールの入力部に結合された送信ラインに必要とされる終端インピーダンスを与え、それによって、該レーザモジュールの入力インピーダンスと該送信ラインの特性インピーダンスとの間の実質的な整合を可能にする。
【００１８】
増幅器１０５は、増幅されたアナログデータ信号によりレーザ１１０を変調する高ゲイン、高線形性装置である。１つの実施形態においては、増幅器はソースフォロア（ＤＣ結合共通ドレイン）増幅器として構成された単一のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を含む。本実施形態においては、トランジスタのソースはレーザ１１０に直接結合される。トランジスタは、電気信号のわずかなＲＦ波長内で結合され、インピーダンス整合抵抗器の介入を必要とすることなく、低い出力インピーダンス駆動信号をレーザ１１０に与える。他の実施形態においては、当業者に公知の他のトランジスタを用いることができる。
【００１９】
図示される光送信機１００はさらに、バイアスティーネットワークを形成するコンデンサ１３０及び抵抗器１４０を含み、これは、ゲートバイアス制御信号１５０をトランジスタ１０５のゲートに結合し、該トランジスタをＤＣバイアスして、線形動作を保証する。抵抗器１３０はＤＣ（直流）負荷を前置歪みデータ信号に与え、コンデンサ１４０は接地のためにＡＣ分路を与える。
【００２０】
本実施形態においては、コンデンサ１６０は、接地のためにトランジスタ１０５のドレインにＡＣ結合する。コンデンサ１６０は、並列の２つのコンデンサを含むことができ、一方はレーザモジュール内に集積された相対的に小さいキャパシタンス（例えば６０から１００ｐｆ）をもち、もう一方は該レーザモジュールの外部に集積された、より大きいキャパシタンス（例えば、０．１ｕｆ）をもつ。
【００２１】
例示的な実施形態は、どんな抵抗器もレーザダイオード１１０と直列に用いられていないので、トランジスタ１０４の線形動作のために結合された、必要とされる供給電圧Ｖｃｃを減少させる。例えば、最大電流によって駆動される場合のレーザにおける最大電圧降下は、典型的には、約２．０Ｖより小さい。それゆえ、約３．５Ｖより小さい公称供給電圧Ｖｃｃは、全ての条件下でトランジスタ１０５の効率的な動作に適切なドレインゲート間電圧与える。特定の場合においては、回路のＶｃｃは、最適な歪性能を達成するために、わずかに高い電圧で最適化する必要がある場合がある。さらに、本実施形態においては、トランジスタはレーザに対して密接に結合される。さらに、レーザと直列のインピーダンス整合抵抗器をなくすことは、通常設計と比較して送信機の消費電力を減少させる。
【００２２】
本発明は、その精神又は本質的な特徴から離れることなく他の特定の形態において具体化することができることを当業者は理解するであろう。例えば、当業者は、本発明が図５に示す、図示されたソースフォロア増幅器に限定されないことを理解するであろう。むしろ、種々の高ゲイン、高線形性増幅器設計を用いて、説明された例示的な低電力光送信機を実装することができる。例えば、図６の簡略化されたブロック図においては、カスコード増幅器３００をレーザ３１０に直接結合して、低電力高線形性送信機を与える。
【００２３】
本実施形態においては、ＤＣブロッキングコンデンサ３４０は、前置歪みアナログデータ信号をカスコードトランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ３２０）に結合する。図示実施形態は、さらに、接地のために分路されたインピーダンス整合抵抗器３５０を含むことができる。インピーダンス整合抵抗器３５０は、ここでも、レーザモジュールの入力部に結合された送信ラインに必要とされる終端インピーダンスを与え、それによって、該レーザモジュールの入力インピーダンスと該送信ラインの特性インピーダンスとの間の実質的な整合を可能にする。
【００２４】
本実施形態においては、カスコードトランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ３２０）のソースは、装置のゲインを制限するのに用いることができる負荷抵抗器３６０を通して、相互コンダクタンストランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ３３０）のドレインに直列に結合される。本実施形態においては、ＤＣブロッキングコンデンサ３７０は、トランジスタ３２０と３３０との間の接合部で取られる増幅器の出力部をレーザ３１０に結合する。レーザはインダクタ３８０によりＤＣバイアスすることができる。
【００２５】
図７は、レーザに直接結合された高ゲイン、高線形性ソース共通増幅器を有する光送信機の簡略化した概略図である。これは、ソース共通増幅器を使用する本発明のさらに別の実施形態を示し、レーザ４００は、ＤＣブロッキングコンデンサ４２０により、ＦＥＴトランジスタ４１０のドレインに直接結合されている。本実施形態においては、負荷抵抗器４３０を供給電圧Ｖｃｃとトランジスタ４１０のドレインとの間に結合して、装置のゲインを設定することができる。
【００２６】
本発明は、従来の装置と比較すると、消費電力を著しく減少させ、相対的には高性能を維持する。例えば、図５に示すカスコード増幅器をレーザダイに隣接させて集積し、それによってレーザダイオードと直列のインピーダンス整合抵抗器の必要性をなくすことができる。
【００２７】
図８は、本発明の別の例示的な実施形態による、レーザに直接結合された高ゲイン、高線形性ソース共通増幅器を有する光送信機の簡略化した概略図である。
【００２８】
図９は、図７の回路の周波数応答及び入力リターンロスを示すグラフである。具体的には、これは、周波数の関数として、カスコード増幅器の測定された周波数応答（Ｓ21）及び入力リターンロス（Ｓ11）をグラフに示す。図示されるカスコード増幅器は、３００ｋＨｚから１ＧＨｚまでの相対的に均一な性能を与える。
【００２９】
同様に図１０は、周波数の関数として、搬送波雑音比（Ｃ／Ｎ）、複合三次うなり（ＣＴＢ）及び複合二次歪（ＣＳＯ）をグラフで示す。図示される増幅器は、送信機ゲインステージの典型的な性能基準、すなわち５３ｄＢの搬送波対雑音比、６５ｄＢのＣＴＢ、及び６５ｄＢのＣＳＯを満たすか又はこれに勝る。それゆえに、図示される光送信機の歪性能は、典型的には、前置歪み回路の性能及びレーザ装置に固有の非線形性によって制限される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】ドライバ及び増幅器がレーザモジュールの外部にある従来技術による第１の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
【図１Ｂ】ドライバ及び前置歪み回路がレーザモジュールの外部にある従来技術による第２の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
【図２】ドライバ及び増幅器がレーザモジュールの外部にあり、前置歪み器及びレーザが単一のパッケージに集積された本発明による第１の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
【図３Ａ】ドライバがレーザモジュールの外部にあり、増幅器及び前置歪み器が該レーザモジュールに集積された本発明による第２の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
【図３Ｂ】ドライバがレーザモジュールの外部にあり、増幅器及び前置歪み器が図３Ａとは異なる順番で該レーザモジュールに集積された本発明による第３の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
【図４Ａ】ドライバがレーザモジュールの外部にあり、増幅器がＴＥＣ冷却器上で該レーザモジュールに集積された本発明による第４の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
【図４Ｂ】ドライバがレーザモジュールの外部にあり、増幅器及び前置歪み器がＴＥＣ冷却器上で該レーザモジュールに集積された本発明による第４の例示的な実施形態における光送信機の非常に簡略化したブロック図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、レーザに直接結合された高ゲイン、高線形性ソースフォロワ増幅器を有する光送信機の簡略化した概略図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態による、レーザに直接結合された高ゲイン、高線形性カスコード増幅器を有する光送信機の簡略化した概略図である。
【図７】本発明の例示的な実施形態によるレーザに直接結合された高ゲイン、高線形性ソース共通増幅器を有する光送信機の簡略化した概略図である。
【図８】本発明の例示的な実施形態による、レーザに直接結合された高ゲイン、高線形性ソース共通増幅器を有する光送信機の簡略化した概略図である。
【図９】図７の回路の周波数応答及び入力リターンロスを示すグラフである。
【図１０】集積増幅器をもつ典型的なレーザモジュールの搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）、複合三次うなり（ＣＴＢ）、及び複合二次歪（ＣＳＯ）のグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１００：光送信機
１０２：ＤＣブロッキングコンデンサ
１０５：増幅器
１１０：レーザ
１２０：インピーダンス整合抵抗器
１３０：抵抗器
１４０、１６０：コンデンサ
１５０：ゲートバイアス制御信号
３００：カスコード増幅器
３２０、３３０：トランジスタ
３６０：負荷抵抗器
３８０：インダクタ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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