(57)【要約】【課題】  ＳＯＡの駆動条件や信号品質に依存せずに信号光強度を定量性良くモニタ可能で、かつ簡易な構成の光強度モニタ、光Ａ／Ｄ変換器、および光Ａ／Ｄ変換器の動作方法を提供する。【解決手段】  同一強度の入射信号光に対する印加電圧の変化量が実質的に等しいｎ＋１個（ｎは１以上の自然数）の半導体光増幅器を有し、前記ｎ＋１個の半導体光増幅器のうちのｎ個は、信号光が入射する信号用半導体光増幅器１０２であり、前記信号用半導体光増幅器以外の１個は、前記信号光が入射しない参照用半導体光増幅器１０１であり、さらに、前記ｎ＋１個の半導体光増幅器を実質的に等しい大きさの電流で駆動する半導体光増幅器駆動手段と、前記各信号用半導体光増幅器への印加電圧および前記信号用半導体光増幅器への印加電圧の差を抽出する印加電圧差抽出手段１０５とを有することを特徴とする光強度モニタ。【選択図】  図３
2011243692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一強度の入射信号光に対する印加電圧の変化量が実質的に等しいｎ＋１個（ｎは１以上の自然数）の半導体光増幅器を有し、
前記ｎ＋１個の半導体光増幅器のうちのｎ個は、信号光が入射する信号用半導体光増幅器であり、前記信号用半導体光増幅器以外の１個は、前記信号光が入射しない参照用半導体光増幅器であり、
さらに、
前記ｎ＋１個の半導体光増幅器を実質的に等しい大きさの電流で駆動する半導体光増幅器駆動手段と、
前記信号用半導体光増幅器の各々への印加電圧と前記参照用半導体光増幅器への印加電圧との差を抽出する印加電圧差抽出手段とを有することを特徴とする光強度モニタ。
【請求項２】
前記信号用半導体光増幅器が、１個であることを特徴とする請求項１に記載の光強度モニタ。
【請求項３】
前記信号用半導体光増幅器が、複数であることを特徴とする請求項１に記載の光強度モニタ。
【請求項４】
信号光の強度レベルを閾値判定用の所定の電圧値と比較して閾値判定結果を出力するためのｍ−１個（ｍは２以上の自然数）の閾値判定回路と、
前記ｍ−１個の閾値判定回路からの判定結果をｍ階調の２進デジタル信号に変換する信号変換器とを有し、
前記各閾値判定回路は、請求項１から３のいずれか一項に記載の光強度モニタを有し、
前記各閾値判定回路が縦列接続され、前記信号光が、前記各信号用半導体光増幅器を順次通過することを特徴とする光Ａ／Ｄ変換器。
【請求項５】
前記縦列接続されたｍ−１段の閾値判定回路においてｋ段目（ｋは、１以上かつ（ｍ−１）以下の自然数）の閾値判定回路に入射する信号光の強度レベルを、１段目の閾値判定回路に入射する信号光に対して、（ｍ−１．５）／（ｍ−ｋ−０．５）倍にスケーリングすることを特徴とする請求項４に記載の光Ａ／Ｄ変換器の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光強度モニタ、光Ａ／Ｄ変換器および光Ａ／Ｄ変換器の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ネットワーク（ＮＷ）においては、ＷＤＭ（波長分割多重）信号の各チャネルの信号光の強度や利得をモニタリングし、または均等化もしくは安定化を図る制御手段が必要である。前記制御手段（光モニタ）はチャネル数の分だけ必要とされるため、簡易な構成の実現手段が求められる。このような光強度・利得モニタリングや安定化制御を行う装置の実現手段のひとつとして、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いる方式が提案されている。ＳＯＡを用いる方式は、信号光の一部をサンプリングするための分岐光回路を設けずにインラインでの光強度・利得モニタリングや安定化制御を行える点や、集積性の点で、他方式に比べてメリットがある。
【０００３】
ＳＯＡを利用した光利得モニタの第１の関連技術として、特許文献１に示される光利得モニタについて、図７を用いて説明する。図示のとおり、本関連技術は信号光の伝搬方向において３セクションに分割された多セクション型ＳＯＡ７０１に関する。ここで、信号光が入射する側のセクション（Ｓ１）と出射する側のセクション（Ｓ２）は、印加電圧変化をモニタする目的で使用され、中央のセクション（Ｓ３）は、信号光の増幅のために用いられる。互いのセクションはイオン注入などの手段により電気的に絶縁されている。各セクションのＳＯＡは同一のバイアス源ＩＤＣを通じて順方向にバイアスされる。Ｓ１、Ｓ２では、インダクタ７０４とコンデンサ７０２からなるバイアスティー回路、および増幅器７０３を介して、信号光が入射した際の印加電圧の変化量が抽出される。Ｓ１とＳ２における印加電圧振幅の変化量をＶ１，Ｖ２としたとき、両者の比である電圧利得ＧＶ＝Ｖ２／Ｖ１は、ＳＯＡに入射した信号光１０４がＳ３を通過した際に受ける光学利得と直線的な相関がある。この相関は信号光強度に応じて生じるＳＯＡ内のキャリア密度の変化が印加電圧に反映されるため発生するものであり、この原理によって光カップラや受光素子を用いないインライン型の光利得モニタリングを実現している。さらに本関連技術では、印加電圧の変化量のみを抽出することで、自然放出光（ＡＳＥ光）による背景光放射の影響をある程度除去できている。このような多セクション型ＳＯＡを用いた光利得モニタの類似例として、特許文献２に開示の技術（第２の関連技術）、および非特許文献１に開示の技術（第３の関連技術）が提案されている。
【０００４】
第２の関連技術の多電極ＳＯＡは、第１の関連技術と同様、３セクションのＳＯＡにおいて中央のセクションを信号光増幅部、両端のセクションを光強度検出部として使用している。本関連技術では、第１の関連技術と異なり、両端のセクションには逆バイアスが印加され、同セクションを通過する信号光の一部が吸収される際のフォトカレントの比を検出している。本関連技術では、検出されたフォトカレント比を中央セクションの駆動電流値にフィードバックさせることで定利得動作を実現している。
【０００５】
第３の関連技術の２電極ＳＯＡは、２セクションのＳＯＡにおいて両セクションの印加電圧の差を抽出する方式である。
【０００６】
さらに、ＳＯＡを利用した光利得モニタの第４の関連技術として、特許文献３に開示のＳＯＡアレイによる利得安定化方式について、図８を用いて説明する。本関連技術では、ｎチャネルの信号光の増幅を一括して行うためのＳＯＡアレイの駆動時において、各チャネルのＳＯＡの光学利得を一定に制御する方式を採用している。本関連技術はｎチャネルの独立した信号光の増幅する際、同等特性を有するｎ＋１個のＳＯＡアレイ１０３を使用する。そのうちのｎ個は信号光を増幅する信号用ＳＯＡ１０２として使用され、他の１個は信号光を入射しない参照用ＳＯＡ１０１として用いる。参照用ＳＯＡ１０１からはＡＳＥ光が出射され、そのＡＳＥ光の光強度が、参照用ＳＯＡ１０１の出力端の一方に具備された光モニタ８０１によって電気信号に変換される。この電気信号のレベルを自動利得調整回路（ＡＧＣ回路８０２）で一定制御し、同時にｎ個の信号用ＳＯＡ１０２も同一の駆動条件とすることで、ｎ＋１個のＳＯＡの内部利得レベルを常に一定に保つことができ、これにより信号光１０４を常に一定の利得で増幅することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２７３５４７４号
【特許文献２】特願平０１−００５４２２
【特許文献３】特許第３７０６１８３号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】R.M.  Fortenberry  et.  al.,  "Up  to  16  dB  improvement  in  detected  voltage  using  two-section  semiconductor  optical  amplifier  detector",  Electronics  Letters,  Vol.  28,  Issue:5,  p.474,  1992.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記各関連技術には、下記の２点の課題がある。
【００１０】
１点目の課題は、前記各関連技術の方式がいずれも光利得のモニタリングを基本としている点である。一方で、ＳＯＡの実際の使用時には、定利得制御（ＡＧＣ：ａｕｔｏ  ｇａｉｎ  ｃｏｎｔｒｏｌ）よりも定出力制御（ＡＬＣ：ａｕｔｏ  ｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｔｒｏｌ）で用いられるケースが多い。このため、ＳＯＡからの出力信号光の強度を定量性良くモニタし制御することが求められる。しかしながら、前記各関連技術の方式は、いずれも光利得のモニタリングを基本としているため、出力信号光の強度を定量性良くモニタし制御することが困難である。
【００１１】
まず、第２の関連技術および第３の関連技術に示した多セクション型ＳＯＡでは、前セクションと後セクションにおける光強度レベルに対応した印加電圧の比（第２の関連技術）、またはフォトカレントの比（第３の関連技術）を抽出する。このとき、ＳＯＡ駆動時に光導波路の全域にわたり存在するＡＳＥ光の強度が両セクションでほぼ同程度と考えると、印加電圧またはフォトカレントの比を抽出する段階で、ＡＳＥ光による寄与分が打ち消しあうことになる。このため、抽出された印加電圧比またはフォトカレント比は、両セクションを通過する信号光強度の比、即ち信号光に対する光学利得に対応した値となる。しかし、このような方式で抽出されるのは光学利得のみであり、光出力の絶対値ではない。従って、多セクション型のＳＯＡにおける前セクションと後セクションの比を抽出する方式では、光強度のモニタは基本的に困難である。さらに光学利得に対応した電圧変動をモニタする方式の場合、光学利得の絶対値が小さい場合における電圧変動量が著しく低下し、その結果、検出精度が低下することも問題となる。
【００１２】
つぎに、第１の関連技術の多セクション型ＳＯＡは、一定の条件の下では前セクション（Ｓ１）および後セクション（Ｓ２）において抽出される各々の電圧値に関して、一定の条件の下では、ある程度の定量性が期待できる。すなわち、まず、第１の関連技術では、Ｓ１、Ｓ２の両セクションにおいて、信号光入力時の印加電圧の交流成分（変動量）のみを抽出している。ここで、強度変調信号光のＯＦＦ状態における光強度レベルが十分に低い場合には、ＯＦＦ状態＝ＡＳＥ光のみが存在する状態とみなしうるため、検出される電圧振幅の多くの部分はＯＮ状態における光強度の絶対値の寄与によるものとなる。しかし、このような定量性が期待できるのは、前記のとおり、信号光のＯＦＦレベルが十分に低いことに加え、ＳＯＡの電気信号の応答速度を十分に速くする必要があるなど、限定された動作環境での使用時のみである。
【００１３】
また、第４の関連技術の並列型ＳＯＡアレイは、参照用ＳＯＡのＡＳＥ光の光強度を一定に保つ機構により、環境温度やＳＯＡの動作条件が異なる際のＳＯＡの利得変動をフィードバック制御するための発明である。本発明は、信号光をモニタリングする手段を具備していないため、光強度レベルの制御は想定されていない。
【００１４】
関連技術における２点目の課題は、多セクション型のＳＯＡの場合、構成が複雑となる点である。多セクション型ＳＯＡは、通常の単電極型のＳＯＡとは異なる特殊な構造であるため、光ゲートスイッチなどの他の用途への適用性が低く、従って相対的に低コスト化を図りにくい。さらにこのような多セクション型ＳＯＡは１チャネルあたり２から３本の引き出し電極が必要であるため、アレイ化して使用する際の配線数が多くなるため、実装コスト、素子製造コスト等の増加を招きうる。また、実装密度が制限されたり電気応答速度等に影響を与えたりするおそれがある。
【００１５】
このように、ＳＯＡを用い、かつ、ＳＯＡの駆動条件や信号品質に依存せずに信号光強度を定量性良くモニタ可能で、かつ簡易な構成の光強度モニタは、これまでに提案されていない。
【００１６】
そこで、本発明は、ＳＯＡの駆動条件や信号品質に依存せずに信号光強度を定量性良くモニタ可能で、かつ簡易な構成の光強度モニタ、光Ａ／Ｄ変換器、および光Ａ／Ｄ変換器の動作方法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】
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明の光強度モニタは、
同一強度の入射信号光に対する印加電圧の変化量が実質的に等しいｎ＋１個（ｎは１以上の自然数）の半導体光増幅器を有し、
前記ｎ＋１個の半導体光増幅器のうちのｎ個は、信号光が入射する信号用半導体光増幅器であり、前記信号用半導体光増幅器以外の１個は、前記信号光が入射しない参照用半導体光増幅器であり、
さらに、
前記ｎ＋１個の半導体光増幅器を実質的に等しい大きさの電流で駆動する半導体光増幅器駆動手段と、
前記信号用半導体光増幅器の各々への印加電圧と前記参照用半導体光増幅器への印加電圧との差を抽出する印加電圧差抽出手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の光Ａ／Ｄ変換器は、
信号光の強度レベルを閾値判定用の所定の電圧値と比較して閾値判定結果を出力するためのｍ−１個（ｍは２以上の自然数）の閾値判定回路と、
前記ｍ−１個の閾値判定回路からの判定結果をｍ階調の２進デジタル信号に変換する信号変換器とを有し、
前記各閾値判定回路は、前記本発明の光強度モニタを有し、
前記各閾値判定回路が縦列接続され、前記信号光が、前記各信号用半導体光増幅器を順次通過することを特徴とする。
【００１９】
本発明の光Ａ／Ｄ変換器の動作方法は、前記縦列接続されたｍ−１段の閾値判定回路においてｋ段目（ｋは、１以上かつ（ｍ−１）以下の自然数）の閾値判定回路に入射する信号光の強度レベルを、１段目の閾値判定回路に入射する信号光に対して、（ｍ−１．５）／（ｍ−ｋ−０．５）倍にスケーリングすることを特徴とする前記本発明の光Ａ／Ｄ変換器の動作方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ＳＯＡの駆動条件や信号品質に依存せずに信号光強度を定量性良くモニタ可能で、かつ簡易な構成の光強度モニタ、光Ａ／Ｄ変換器、および光Ａ／Ｄ変換器の動作方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光強度モニタの基本構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光強度モニタの動作原理を示す模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光強度モニタアレイの基本構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る光Ａ／Ｄ変換装置の基本構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る光強度モニタにおける入力光強度と電圧変化量の関係を例示するグラフである。
【図６】本発明の第２の実施例に係る光Ａ／Ｄ変換装置における入力光強度レベルおよび判定閾値を説明するためのグラフである。
【図７】本発明に係る第１の関連技術の構成を示す模式図である。
【図８】本発明に係る第４の関連技術の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態である光強度モニタの基本構造、および動作原理を、図１、および図２を用いて説明する。
【００２３】
前記のとおり、本発明の光強度モニタは、同一強度の入射信号光に対する印加電圧の変化量が実質的に等しいｎ＋１個（ｎは１以上の自然数）の半導体光増幅器を有する。前記ｎ＋１個の半導体光増幅器のうちのｎ個は、信号光が入射する信号用半導体光増幅器であり、前記信号用半導体光増幅器以外の１個は、前記信号光が入射しない参照用半導体光増幅器である。前記信号用半導体光増幅器は、１個でも複数でもよい。本実施形態（第１の実施形態）では、前記信号用半導体光増幅器が１個である例について説明する。また、本発明に用いる半導体光増幅器（ＳＯＡ）において、「同一強度の入射信号光に対する印加電圧の変化量が実質的に等しい」は、同一強度の入射信号光に対する前記印加電圧の変化量が、厳密に等しくても良いし、光強度のモニタリングに大きな測定誤差を与えない程度に若干異なっていても良い。また、以下、半導体光増幅器（ＳＯＡ）において、同一強度の入射信号光に対する印加電圧の変化量が実質的に等しいことを、単に「同等特性を有する」という場合がある。
【００２４】
図１は、本実施形態の光強度モニタの基本構成を示す図である。同図の光強度モニタは、同等特性を有し、同等の条件で駆動される１対のＳＯＡを基本構成要素とする。図示のとおり、一方のＳＯＡは、信号光１０４が入射する信号用ＳＯＡ１０２であり、他方のＳＯＡは、信号光１０４が入射しない参照用ＳＯＡ１０１である。信号用ＳＯＡ１０２と参照用ＳＯＡ１０１の双方は同一電流（実質的に等しい大きさの電流）で定電流駆動されるため、信号用ＳＯＡ１０２および参照用ＳＯＡ１０１の駆動条件の違いは信号光の入射の有無のみである。図１の光強度モニタにおいては、信号用ＳＯＡ１０２および参照用ＳＯＡ１０１を実質的に等しい大きさの電流で駆動する手段（前記「半導体光増幅器駆動手段」）は、図示を省略している。なお、本発明の光強度モニタにおいて、前記信号用ＳＯＡおよび前記参照用ＳＯＡは、実質的に等しい大きさの電流で駆動すれば良い。すなわち、前記信号用ＳＯＡおよび前記参照用ＳＯＡの駆動電流の大きさが、厳密に等しくても良いし、光強度のモニタリングに大きな測定誤差を与えない程度に若干異なっていても良い。なお、以下において、ＳＯＡを、実質的に等しい大きさの電流で駆動することを、単に、「同等条件で駆動する」という場合がある。また、図１の光強度モニタは、信号用ＳＯＡ１０２と参照用ＳＯＡ１０１の印加電圧をそれぞれVsigおよびVrefとしたとき、両電圧の差（ΔV=Vsig-Vref）を抽出するための電圧差分検出回路１０５を、さらに具備している。電圧差分検出回路１０５は、本発明の光強度モニタにおける、前記「印加電圧差抽出手段」に相当する。なお、図１は、本実施形態の光強度モニタの基本構成を説明するための模式図であり、実際の電気回路構成は図示を省略している。
【００２５】
図２は、図１の光強度モニタを用いた光強度モニタリングの原理を説明する図である。同図上段は、参照用ＳＯＡ１０１および信号用ＳＯＡ１０２から放射される光スペクトルを模式的に示した図である。下段は、参照用ＳＯＡ１０１および信号用ＳＯＡ１０２で検出される印加電圧を上段に対応した形で示した数式である。
【００２６】
まず、本実施形態の駆動環境下における光スペクトル領域の動作について説明する。図１に示すとおり、信号用ＳＯＡ１０２には信号光１０４が入射し、ＳＯＡ内を伝搬して光増幅（もしくは光減衰）を受けた後出射される。このとき出射光には信号光１０４とＡＳＥ光が含まれる。一方、参照用ＳＯＡ１０１には光入射が無いためＡＳＥ光のみが出射される。信号用ＳＯＡ１０２と参照用ＳＯＡ１０１からの出射光に共通に含まれるＡＳＥ光は、同等特性のＳＯＡを同等条件で駆動し、かつ、両ＳＯＡの利得飽和が発生しない範囲においてはほぼ同等と見なし得る。このため、両出射光の強度の差は、信号光１０４の強度のみに強く依存した値となる。
【００２７】
つぎに、上記光スペクトル領域の動作に対応した印加電圧領域における動作について説明する。信号用ＳＯＡ１０２では、信号光１０４とＡＳＥ光に対する誘導放出によってＳＯＡ内のキャリアが消費されることにより印加電圧（Vsig)が低下する。このVsigの低下量は、信号光１０４の強度に対して正の相関があり、信号光強度が強いほどVsigの低下量は大きくなる。一方、参照用ＳＯＡ１０１では光入射の無い駆動条件下での印加電圧(Vref)が検出される。したがって、参照用ＳＯＡ１０１と信号用ＳＯＡ１０２の印加電圧の差ΔＶは信号光１０４の存在のみに起因して発生するため、ΔＶを抽出することで信号光１０４の強度をモニタリングできる。なお、本実施形態で使用されるＳＯＡは単電極型ＳＯＡであるため、ΔＶは信号用ＳＯＡ１０２と参照用ＳＯＡ１０１の各々における、導波路構造全域に亘る光強度の平均値の差に対応したものとなる。
【００２８】
本発明の光強度モニタにおいては、信号光の入射の有無のみが異なる信号用ＳＯＡおよび参照用ＳＯＡの印加電圧差を抽出する。このため、多セクションＳＯＡにおける各セクションの印加電圧同士の差分を抽出する場合などと比較してＡＳＥ光の影響を極めて効果的に除去できる。その効果のひとつは、ＡＳＥ光の光伝搬方向強度分布の影響を効果的に除去可能な点である。すなわち、ＡＳＥ光は光伝搬方向において強度分布を有しており、光導波路の中央部から入出射端に向かって次第に強くなるよう分布している。信号光伝搬方向の一部領域の電圧のみを抽出する多セクションＳＯＡを用いる方式では、このＡＳＥ光の分布を考慮する必要がある。しかしながら、本発明では、ＡＳＥ光強度の分布の如何にかかわらず、前記ＡＳＥ光強度分布は、前記参照用ＳＯＡおよび前記信号用ＳＯＡにおいて同等（実質的に等しい）である。したがって、この光伝搬方向の強度分布も含めてＡＳＥ光の影響を除去可能である。
【００２９】
また、前記関連技術においては、多セクションＳＯＡでは、光利得に対応する分の電圧変動のみを抽出する方式であるため、電圧変動量が小さいという問題があった。これに対し、本発明の光強度モニタでは、光強度の絶対値に対応した電圧変動をモニタできるため、より電圧変動量の検出精度が高くなる。
【００３０】
以上の特長により、本発明の光強度モニタは、光カップラによる信号光のサンプリングを行わないインライン型の光強度モニタでありながら、信号光の消光比やデータレートに依存せずに、その強度レベルを定量性良く検出することが可能である。
【００３１】
また本発明の光強度モニタは、例えば、最も一般的な単電極型のＳＯＡアレイを利用することにより、生産性、集積性の上でもメリットを得ることができる。また、これにより、チャネル数のスケーラビリティや他の光部品との機能集積性にも優れた光強度モニタを得ることも可能である。
【００３２】
なお、本実施形態の光強度モニタは、以上の説明には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、信号光の波長域は、光通信用途で一般的な１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯以外であってもよく、その波長域を問わない。また光強度が変調されるものであれば信号光のフォーマットの如何も問わず、また複数ピークを有する信号や波長多重信号で構成されるものであってよい。また、本発明において使用するＳＯＡの構造や製造方法、実装構造および実装手段に関しては、特に限定されず、例えば、公知の手段であっても良い。ＳＯＡについては、信号光が入射し、電流注入による誘導放出によって光利得を受けた後に出射される機能を有する限り、それを構成する基板、導波路材料、導波路構造は様々な様態であってよい。例えば、基板はＩｎＰ、ＧａＡｓ，ＧａＮ，Ｓｉ、有機材料をはじめ様々なものが使用できる。導波路構造は埋め込み構造やリッジ構造や面入出射型構造を有していてもよい。また、同等性能のＳＯＡであれば、その実装形態、集積形態を問わない。参照用ＳＯＡと信号用ＳＯＡより抽出された電圧差分の検出回路には、別途電気フィルタ、信号増幅器、線形化回路、信号光の平均値を抽出するためのコンデンサなどが追加されていてもよい。以下の各実施形態においても同様である。
【００３３】
［第２の実施形態］
つぎに、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３４】
前記のとおり、本発明の光強度モニタは、同一強度の入射信号光に対する印加電圧の変化量が実質的に等しいｎ＋１個（ｎは１以上の自然数）の半導体光増幅器を有する。前記ｎ＋１個の半導体光増幅器のうちのｎ個は、信号光が入射する信号用半導体光増幅器であり、前記信号用半導体光増幅器以外の１個は、前記信号光が入射しない参照用半導体光増幅器である。第１の実施形態では、前記信号用半導体光増幅器が１個である例について説明したが、本実施形態（第２の実施形態）では、前記信号用半導体光増幅器が複数である例について説明する。なお、このように、信号用半導体光増幅器が複数である光強度モニタを、「光強度モニタアレイ」ということがある。
【００３５】
図３は、本実施形態の光強度モニタアレイの基本構成を示す図である。本実施形態の光強度モニタアレイの基本的な動作や特徴は、第１の実施形態に係る光強度モニタと同一である。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、前記のとおり、本実施形態の光強度モニタアレイでは、前記信号用半導体光増幅器が複数である点である。本実施形態では、ｎ＋１アレイのＳＯＡを使用し、ｎチャネル分の独立した信号光強度を同時にモニタする。なお、第１の実施形態は、本実施形態においてｎが１のケースに相当する。
【００３６】
図示のとおり、本実施形態は、同等特性を有し、同等の条件にて駆動されるｎ＋１アレイ（本実施形態においては、ｎは、２以上の自然数）のＳＯＡを基本構成要素とする。このうちｎ個のＳＯＡは信号光１０４が入射する信号用ＳＯＡ１０２であり、他の１個のＳＯＡは信号光１０４が入射しない参照用ＳＯＡ１０１である。信号用ＳＯＡ１０２と参照用ＳＯＡ１０１の双方は同一電流にて定電流駆動されるため、信号用ＳＯＡ１０２と参照用ＳＯＡ１０１の駆動条件の違いは信号光の入射の有無のみである。また本実施形態の光強度モニタアレイは、信号用ＳＯＡ１０２のそれぞれと参照用ＳＯＡ１０１の印加電圧の差（ΔV=Vsig-Vref）を抽出するための電圧差分検出回路（前記「印加電圧差抽出手段」）１０５を、さらに具備する。本実施形態の光強度モニタアレイの動作原理および特長は、第１の実施形態の光強度モニタと同様であるため、ここでは詳細の説明を省略する。
【００３７】
本実施形態の光強度モニタアレイは、定量性に優れ、かつ、簡易な素子構成のため、多チャンネル化が容易である。本実施形態の光強度モニタアレイの構成によって、独立したｎチャネルの信号光の強度を同時にモニタリング可能な光モジュールが簡易な構成で実現可能である。
【００３８】
［第３の実施形態］
つぎに、本発明の光Ａ／Ｄ変換器の一実施形態について説明する。なお、本発明において、「光Ａ／Ｄ変換器」は、入力された信号光の強度レベルをデジタル値に変換する装置（変換器）を意味する。
【００３９】
図４は、本実施形態の光Ａ／Ｄ変換器の構成を示す模式図である。図示のとおり、本実施形態の装置は、信号光をｍ階調（ｍは２以上の自然数）の２進デジタル信号４０４に変換する光Ａ／Ｄ変換器である。この光Ａ／Ｄ変換器は、信号光の強度レベルを閾値判定用の所定の電圧値と比較して閾値判定結果を出力するための閾値判定回路４０１がｍ−１個縦列接続された基本構成を有する。閾値判定回路４０１は、第１の実施形態で示した光強度モニタを有する。本実施形態においては、閾値判定回路４０１は、前記光強度モニタから出力された電圧値ΔＶを前記所定の電圧値と比較し、その判定結果をバイナリのビット値として出力するためのコンパレータ４０３を、さらに具備する。同図の光強度モニタアレイは、前記ｍ−１個の閾値判定回路からの判定結果をｍ階調の２進デジタル信号に変換する２進変換器（前記「信号変換器」に相当）４０２を、さらに具備する。各閾値判定回路４０１は、縦列接続されることにより、多セクション型ＳＯＡアレイ４０５を構成している。信号光１０４は、各信号用ＳＯＡ１０２を順次通過することが可能である。
【００４０】
本実施形態の動作は、特に制限されないが、例えば、以下のとおりである。まず、信号光１０４は、ｍ−１個縦列接続された閾値判定回路４０1内に具備された信号用ＳＯＡ１０２を順次通過する。ここで、閾値判定回路４０1に入力される信号光１０４の強度が各段で一定となるように、ＳＯＡの駆動電流を設定する。ｋ段目の閾値判定回路４０１では、信号光の入射しない参照用ＳＯＡ１０１との電圧差ΔＶが電圧差分検出回路１０５で検知される。つぎに、検出されたΔＶは、コンパレータ４０３において所定の電圧値Ｖｋ（ｋはｍ−１までの自然数）と比較されて、ビット値として閾値判定回路から出力される。閾値判定用の電圧値Ｖｋは、信号光強度をｍ階調（０〜７）で離散値化するように各段に設定される。例えば、信号光を入力ダイナミックレンジ内で０から７までの８階調で離散値化する場合の例としては、１段目で６〜７階調間、２段目で５〜６階調間、ｋ段目で（ｍ−１−ｋ）〜（ｍ−ｋ）階調間、７段目で０〜１階調間の閾値判定を行うように設定する。この階調の判定のために必要な仮の閾値（仮の判定閾値レベル）は、１段目では６．５、２段目では５．５、ｋ段目では（ｍ−ｋ−０．５）、７段目では０．５、となる。実際は、前記仮の閾値（仮の判定閾値レベル）を、最大階調で正規化した値を、真の閾値（真の判定閾値レベル）とする。すなわち、ｋ段目では（ｍ−ｋ−０．５）／（ｍ−１）を真の閾値（真の判定閾値レベル）として、この閾値光強度に対応する電圧値をＶｋとする。これらの閾値判定を経て出力されたｍ−１個の閾値判定結果のビット値列の出力例はつぎのとおりである。例として８階調での離散値化の場合、最大許容入力強度に対する相対値が１（最大）、０．３、０．１に対応して出力されるビット値列はそれぞれ、１１１１１１１、１１０００００、１００００００となる。すなわち、入力光強度が８階調で離散値化されたことになる。出力されたビット値列は、２進変換器４０２によって２進デジタル信号７０４に変換される。
【００４１】
本実施形態の光Ａ／Ｄ変換器によれば、例えば、従来、信号光を受光素子で電気信号に変換した後に実施していたＡ／Ｄ変換の機能の一部を光素子の部分が担うことで、電気回路部の負担が軽減し、高速な光Ａ／Ｄ変換を実現できる。このような効果は、構造が簡易で定量性に優れた本発明の光強度モニタを有することで初めて実現し得る。
【００４２】
また、本発明の光Ａ／Ｄ変換器の動作方法は特に制限されないが、例えば、前記本発明の動作方法のように、ｍ−１段縦列接続された閾値判定回路に入力される信号光１０４の強度が各段で一定となるようにした上で、各段を異なる閾値判定用電圧値Ｖｋで判定してもよい。一方で、前記ｍ−１段縦列接続された閾値判定回路に入力される信号光１０４の強度レベルを適切に設定することで、各段における閾値判定用電圧値Ｖｋを統一することができる。詳細は、後述する本発明の第２の実施例にて示すが、前記閾値判定用電圧値Ｖｋの統一は、前記縦列接続されたｍ−１段の閾値判定回路においてｋ段目（ｋは、１以上かつ（ｍ−１）以下の自然数）の閾値判定回路に入射する信号光の強度レベルを、１段目の閾値判定回路に入射する信号光に対して、（ｍ−ｋ−１）／（ｍ−１．５）倍にスケーリングすることで実現できる。このような閾値判定用電圧を統一できる動作方法（駆動条件）は、前記に限ったものではなく、様々な方法があるが、これらの方法によれば、本発明のＡ／Ｄ変換器の電気処理部の負担をさらに軽減することも可能である。なお、本発明において、「スケーリング」は、「増幅」（利得係数＞１）とほぼ同義であるが、入力信号のエネルギーを大きくすることのみならず、入力信号のエネルギーを、そのままの大きさで保持する（利得係数＝１）か、または小さくすること（利得係数＜１）も含む。また、本発明の光増幅器は、入力された信号光よりもエネルギーの大きい出力信号を出すことが可能な装置である。ただし、本発明の光増幅器の動作方法（駆動方法）は特に制限されず、例えば、エネルギーの大きさが、入力された信号光と同じであるか、または入力された信号光よりも小さい出力信号を出しても良い。
【００４３】
なお、本実施形態は、以上の説明に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、第１の実施形態同様、本実施形態では、信号光の波長域、フォーマット、波長品質は、特に限定されない。ＳＯＡについては、各閾値判定回路内に具備されたＳＯＡにおいて、信号光が入射し、電流注入による誘導放出によって光利得を受けた後に出射される機能を有する限り、それを構成する基板、導波路材料、導波路構造は様々な様態であってよい。また、同等性能のＳＯＡであれば、その実装形態、集積形態を問わない。また、本実施形態の光Ａ／Ｄ変換器は、縦列接続されたＳＯＡアレイ同士の間に、波長フィルタや光アッテネータ、位相シフタ等の付加的な光回路を具備してもよい。さらに、各閾値判定回路における判定閾値電圧値やＳＯＡの駆動条件についても、様々な様態が可能である。一例として、各閾値判定回路における参照用ＳＯＡと信号用ＳＯＡの値を適当な駆動電流に設定することで、各閾値判定回路における閾値判定用の電圧値をすべて揃えても良い。この場合、電気回路の構成が簡略化できる。
【００４４】
本発明の光強度モニタ、光強度モニタアレイおよび光Ａ／Ｄ変換器は、光通信分野に好ましく用いることができるが、これに限定されず、どのような用途に使用しても良い。
【実施例】
【００４５】
つぎに、本発明の実施例について説明する。
【００４６】
[第１の実施例]
本実施例（第１の実施例）では、第１の実施の形態に係る光強度モニタ（図１）およびその動作の具体例について、図１を参照しながら説明する。本実施例の光強度モニタは、ＩｎＰ系材料で構成されるＳＯＡを用いた波長１．５５μｍ帯用の光強度モニタである。また、本発明において使用するＳＯＡの構造や製造方法、実装構造および実装手段に関しては、前記のとおり特に制限されず、例えば、公知技術を適宜採用しても良い。このため、本実施例では、これらの詳細についての図示は省略する。
【００４７】
まず、以下のようにして、本実施例の光強度モニタを製造した。本実施例では、ＳＯＡは、Ｎ．Ｙｏｓｈｉｍｏｔｏ  ｅｔ．ａｌ．“Ｆｏｕｒ−ｃｈａｎｎｅｌ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ＳＯＡ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ｂｕｔｔ−ｊｏｉｎｔ  ｓｐｏｔ−ｓｉｚｅ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ”、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．  ２４、  ｐ．２０４５、１９９７に記載のＳＯＡアレイを使用した。このＳＯＡは、ＩｎＰ基板上に形成された、バルクＩｎＧａＡｓＰ（波長組成１．５５μｍ）を活性層とする４チャネルの偏光無依存型ＳＯＡアレイである。このＳＯＡは、光導波方向における活性層の両端に、信号光の入出射時の結合効率を向上させるためのスポットサイズ変換器（ＳＳ）を具備する。光伝搬方向における素子（ＳＯＡ）のサイズは、ＳＳ部が各３００μｍ、活性層部が８００μｍで、トータルでは１．２ｍｍとした。ＳＯＡアレイのチャネル間のピッチは４００μｍであり、４チャネルアレイの全幅は１．６ｍｍである。本実施例では、このうちの２チャンネルを使用した。上記ＳＯＡアレイは、４００μｍピッチで、ＳＯＡアレイ実装部の両端にＶ溝アレイが形成されたＳｉオプティカルベンチ上に実装した。このとき、ＳＯＡアレイの表面に形成された目合わせマークを元に、ビジュアルアライメントによって、前記Ｖ溝とＳＯＡアレイの各チャネルの光導波路との目合わせを行った。
【００４８】
つぎに、前記Ｖ溝に外径１２５μｍコア径１０μｍの単一モード光ファイバ芯線を実装し、紫外線硬化樹脂で固定した。この結果、ＳＯＡアレイの入出射端に光ファイバが光学的に結合された。つぎに、Ｓｉオプティカルベンチに、ＳＯＡアレイを駆動するためのドライバＩＣを実装した。前記ドライバＩＣは、２チャンネルＳＯＡを任意の駆動電流にて定電流駆動するバイアス印加機能を有し、かつ、両ＳＯＡ間の印加電圧差を抽出し増幅する電圧差分検出回路を具備する。つぎに、ＳＯＡアレイにおける信号用ＳＯＡ、および参照用ＳＯＡの各々にバイアス印加するためのボンディングワイヤを、ドライバＩＣからＳＯＡの該当チャネルに対して結合した。これにより、ドライバＩＣを介したＳＯＡの駆動、および印加電圧の参照が可能となった。さらに、ＳＯＡアレイ、光ファイバアレイ、ドライバＩＣの実装されたＳｉオプティカルベンチをバタフライ型モジュール内に実装し、バタフライ型モジュールのピンとドライバＩＣとの間のワイヤボンディングを施された後にハーメチックシールした。このようにして、図１に示す構成を有する光強度モニタの集積型モジュールを製造した。
【００４９】
以上のようにして製造（製作）した光強度モニタ（光強度モニタモジュール）の動作を確認した。すなわち、まず、製作した前記光強度モニタモジュールの信号用ＳＯＡ１０２に光学的に接続された光ファイバに、信号光用光源を接続した。つぎに、前記ドライバＩＣを３．３Ｖの電源電圧で駆動し、前記ドライバＩＣにより、信号用ＳＯＡ１０２、および参照用ＳＯＡ１０１を、各々４０ｍＡの電流で定電流駆動した。つぎに、波長１．５５μｍの連続光を、信号光１０４として信号用ＳＯＡ１０２に入射した。このとき、信号光１０４の入射時の強度を、０．０５ｍＷから１ｍＷの範囲で様々に変化させた。図５のグラフに、前記ドライバＩＣにおける電圧差分検出回路で検出された信号光入射時における電圧差ΔＶの信号光強度依存性を示す。同図において、横軸は、信号光１０４の入射時の強度Ｐｉｎ（ｍＷ）であり、縦軸は、前記信号光入射時における電圧差ΔＶ（Ｖ）である。なお、ここで検出された電圧差は、ドライバＩＣの内部で６ｄＢ増幅された値である。図示のとおり、信号光強度が０．０５ｍＷ、０．４ｍＷ、０．８ｍＷ、１．０ｍＷにおけるΔＶは、それぞれ、０．０３１Ｖ、０．０７２Ｖ、０．０９５Ｖ、０．０９７Ｖであった。つぎに、信号光として５Ｇｂｐｓで、マーク率１／２のＮＲＺ変調信号を入射した。このとき、信号光のＯＮ状態の光強度は連続光入射時と同一となるよう、様々な強度で調整し、そのときの消光比は１０ｄＢとした。その結果、電圧差分検出回路からの出力を高周波オシロスコープで観察したところ、５Ｇｂｐｓの信号のＯＮ／ＯＦＦが反映された５Ｇｂｐｓの電圧変調信号として検出された。また、その平均電圧は、ＯＮ状態における光強度の１／２の強度の連続光が入射した際に生ずるΔＶとほぼ同等であった。以上の動作により、入力信号光の強度に応じた電圧変動を抽出可能な光強度モニタとしての動作を確認できた。
【００５０】
[第２の実施例]
本実施例（第２の実施例）では、本発明の第３の実施形態に係る光Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器（図４）およびその動作方法の具体例について、図４、および図６を用いて説明する。本実施例の装置は、信号光を８階調（０〜７）で離散値化し、さらに３ビットの２進デジタル信号に変換する光Ａ／Ｄ変換器である。なお、本発明において使用するＳＯＡの構造や製造方法、実装構造および実装手段に関しては、前記のとおり特に制限されず、例えば、公知技術を適宜採用しても良い。本実施例では、これらの詳細についての図示は省略する。
【００５１】
本実施例の光Ａ／Ｄ変換器は、前記第３の実施形態（図４）で説明した構造を有する。より具体的には、本実施例の光Ａ／Ｄ変換器は、図４において、入力信号光の強度レベルを所定の値と比較して閾値判定結果を出力するための閾値判定回路４０１が７段縦列接続された基本構成を有する。閾値判定回路４０１は、第１の実施例で示した光強度モニタと、前記光強度モニタから出力された電圧値ΔＶを所定の値と比較し、その判定結果をバイナリのビット値として出力するためのコンパレータ４０３を具備する。
【００５２】
つぎに、本実施例の光Ａ／Ｄ変換器のさらに具体的な構造および製造方法を簡単に説明する。本実施例では、ＳＯＡは、第１の実施例で用いたＳＯＡと同じＳＯＡを縦列接続させたＳＯＡアレイ４０５を用いた。すなわち、ＳＯＡアレイを構成する各ＳＯＡアレイの平面構造および断面構造は、実施例１で用いたＳＯＡと同じである。ＳＯＡアレイ４０５の平面構造の概略は、図４において模式的に示すとおりであるが、その詳細は以下のとおりである。すなわち、まず、本実施例では、縦列接続された７段の閾値判定回路に含まれる参照用ＳＯＡ１０１は、光導波路の出力端が、直接次段の入力端に接続されている。また、信号用ＳＯＡ１０２も同様に、各段における光導波路の出力端が直接次段の入力端に接続されている。この結果、本実施例におけるＳＯＡは、７個の制御電極を有する多セクション型ＳＯＡが、２本で一対として構成された多セクション型ＳＯＡアレイ４０５を構成している。一対の多セクション型ＳＯＡアレイ４０５における一方の多セクションＳＯＡは、信号光１０４が通過する信号用ＳＯＡ１０２で構成され、他方は、参照用ＳＯＡ１０１で構成される。また各々の多セクション型ＳＯＡにおける各光導波路部は、プロトン注入等の手段によって電気的に分離されている。各々の多セクション型ＳＯＡにおける各セクションの長さは８００μｍ、プロトン注入領域の長さは３０μｍである。また、多セクション型ＳＯＡの入力端および出力端には、第一の実施例で示した長さ３００μｍのスポットサイズ変換器（ＳＳ）も具備されている。以上の構造により、素子の全長は、４９８０μｍとなる。参照用の多セクションＳＯＡと信号用の多セクションＳＯＡの間の距離は４００μｍである。
【００５３】
本実施例の素子（光Ａ／Ｄ変換器）は、第１の実施例と同様の手順に従い、Ｖ溝の形成されたＳｉオプティカルベンチ上への多セクションＳＯＡアレイ４０５の目合わせ実装工程、光ファイバとの光結合工程、ドライバＩＣの実装工程、ドライバＩＣと多セクションＳＯＡアレイ４０５の電極間のワイヤボンディング工程、モジュールの封止工程を経て実装を行い、集積型光モジュールとして製造した。なお、本実施例における前記ドライバＩＣには、７段の参照用ＳＯＡおよび信号用ＳＯＡを定電流駆動する機能、各ＳＯＡの駆動電流値、およびコンパレータ４０３の電圧レベル等の駆動条件を保存する機能、７段のコンパレータ４０３からの出力値を２進変換する２進変換器の機能が集積されている。
【００５４】
このようにして製造した光Ａ／Ｄ変換器の動作方法は、特に制限されないが、本実施例では、以下のようにして動作させた。まず、信号光１０４を、縦列接続された７段の閾値判定回路４０１のうち、１段目の閾値判定回路４０１内における信号用ＳＯＡ１０２に入射させた。信号光１０４は、前記７段の閾値判定回路４０１内に具備された信号用ＳＯＡ１０２を順次通過する。本実施例では、閾値判定回路４０１の各段に入力される信号光１０４の強度レベルが図６に示す強度でスケーリングされるように、各段における参照用ＳＯＡ１０１、および信号用ＳＯＡ１０２への注入電流量を設定した。図６は、本実施例の光Ａ／Ｄ変換器の各段における信号光強度の信号光倍率と、判定閾値光強度レベルの関係を示したグラフである。同図において、横軸は、閾値判定回路４０１およびそれが具備するＳＯＡの、光入射側から数えた段数（１段目〜７段目）である。縦軸は、信号光倍率、すなわち、信号光１０４の、１段目のＳＯＡ１０２への入射時の強度に対する、ｋ段目（ｋは、１から７までの自然数）のＳＯＡ１０２への入射時の強度の倍率である。本実施例では、ＳＯＡの利得調整機能を利用して、各段における信号光強度のスケーリングを行うことで、各段における判定閾値光強度レベルを揃えた。より具体的には、本実施例では、７段の閾値判定回路におけるｋ段目において、０〜７の離散値化レベルのうちの（７−ｋ）〜（７−ｋ＋１）階調間の閾値判定を実施した。すなわち、１段目では６〜７階調間、２段目では５〜６階調間、７段目では０〜１階調間の閾値判定を実施した。このとき、各段における階調判定のための閾値レベルを、仮に、ｋ段目では（７−ｋ＋０．５）とする。例えば、前記仮の判定閾値レベルは、それぞれ、１段目では６．５、２段目では５．５、７段目では０．５となる。前記仮の判定閾値レベルを最大レベルで正規化（７で割る）した値が、実際の（真の）判定閾値レベルとなる。ここで、入力信号光のレベルを図６のようにスケーリングすることで、この閾値レベルを揃えた。すなわち、ｋ段目に入射する信号光のレベルを、元々の信号光（１段目のＳＯＡ１０２への入射時の信号光１０４）に対して（ｍ−１．５）／（ｍ−ｋ−０．５）倍とした。このようにすることで、各段における光強度判定閾値レベルを全て１段目と同一とすることが可能である。本実施例では、１段目における閾値光強度レベルはおよそ６．５／７＝０．９２９であるが、１段目から７段目までの全段ともこの閾値で判定してよい。従って、各閾値判定回路におけるコンパレータ４０３の参照電圧値は、図５で示した入力光強度と電圧変動量ΔＶの関係を用いて０．０９２８Ｖに設定すればよい。以上の駆動条件、および判定条件設定は、すべて前記ドライバＩＣ内に保持される。
【００５５】
以上の動作条件を設定して、実際に本実施例の光Ａ／Ｄ変換器の動作を確認した。信号光としては波長１．５５μｍの連続信号を用い、これを信号用ＳＯＡ１０２に入射した。このとき、入射光の強度を１ｍＷ、０．３ｍＷ、０．１ｍＷとした。その結果、光Ａ／Ｄ変換器から出力された２進デジタル信号４０４は、それぞれの入力光強度に対して１１１、０１０、００１という３ビット信号として出力された。この結果、本実施例の光Ａ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ変換動作が確認できた。
【符号の説明】
【００５６】
１０１  参照用ＳＯＡ
１０２  信号用ＳＯＡ
１０３  ＳＯＡアレイ
１０４  信号光
１０５  電圧差分検出回路
４０１  閾値判定回路
４０２  ２進変換器
４０３  コンパレータ
４０４  ２進デジタル信号
４０５  多セクション型ＳＯＡアレイ
７０１  多セクション型ＳＯＡ
７０２  コンデンサ
７０３  増幅器
７０４  インダクタ
８０１  光モニタ
８０２  ＡＧＣ回路
【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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