(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調された光信号を出力する周波数変調光源と、
この周波数変調光源から出力された光を強度変調する光強度変調器と、
この光強度変調器を駆動する電圧信号が印加される端子と前記周波数変調光源の電極との間に挿入された第１のコンデンサと、
前記電圧信号が印加される端子と前記周波数変調光源の電極との間に、前記第１のコンデンサと直列に挿入された抵抗と、
前記周波数変調光源の電極と接地電極との間に挿入された第２のコンデンサとを備え、
周波数変調による周波数偏移をΔｆ、ビットレートをＢ、消光比をＥＲとしたとき、前記第１のコンデンサおよび抵抗によって前記電圧信号を分岐させて前記周波数変調光源に印加したときの前記周波数偏移Δｆが、
【数１】
0006470127.tif 000009
を満たすように、周波数変調を実施することを特徴とする光変調信号生成装置。
【請求項２】
請求項１記載の光変調信号生成装置において、
前記周波数変調光源は、直接周波数変調が可能な半導体レーザであり、
前記周波数変調による周波数偏移Δｆと前記周波数変調光源に印加される電圧ＶLDとの関係が、
【数２】
0006470127.tif 000010
によって表される、比例定数βを有する線形な周波数偏移‐電圧特性の領域を用いることを特徴とする光変調信号生成装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の光変調信号生成装置において、
前記抵抗の値および前記周波数変調光源の駆動条件は、前記周波数変調による周波数偏移Δｆが、
【数３】
0006470127.tif 000011
を満たすように設定されることを特徴とする光変調信号生成装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光変調信号生成装置において、
前記光強度変調器によって生じるチャープは、正のチャープまたは負のチャープであって、かつ前記周波数変調による周波数偏移Δｆより小さいことを特徴とする光変調信号生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用の光変調信号を生成する光変調信号生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
メトロ・アクセス系の光源として、電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器、Electro-Absorption Modulator）と分布帰還型の半導体レーザ（ＤＦＢレーザ、Distributed FeedBack Laser）とを集積した光源（ＥＡ−ＤＦＢ）が広く利用されている。この光源を用いた波長１．５μｍ帯の強度変調光の光ファイバによる伝送距離は、ＥＡ変調器のチャープに起因する光ファイバの分散制限により、１０Ｇｂｉｔ／ｓの信号速度において概ね８０ｋｍ程度である。
【０００３】
将来のアクセス網の長延化、メトロ網との統合化のためには、低コストかつ低消費電力でありながら、長距離伝送を可能とする光源が重要である。そこで、ＥＡ−ＤＦＢを基盤とした光源を用いた、長距離伝送を可能とする方法が特許文献１や非特許文献１，２にて提案されている。これら文献に開示された方法では分散補償の技術を用いることなく、１００ｋｍ超の長距離伝送が可能であることが示されている。しかしながら、ＥＡ変調器を駆動するための駆動信号用ＲＦポートとは別に周波数変調器として動作させるためのもう１つのＲＦポートが必要となるため、光送信器としての構成が複雑になるという課題があった。
【０００４】
一方、特許文献２においては、波長可変レーザとＥＡ変調器とを集積した光源を用いて、ＥＡ変調器を駆動する信号の一部を微分回路を介して、波長可変レーザの波長制御に印加することにより、ＥＡ変調器で生じるチャープに対して、そのチャープを相殺するように波長可変レーザの波長を可変させることで、チャープを抑える方法が提案されている。この方法では、通常のＤＦＢレーザとは異なり、波長可変機構を有するレーザとＥＡ変調器とを集積するため、一般的なＥＡ−ＤＦＢと比較して光源の構造そのものが複雑となる。また、波長可変レーザを駆動するための信号を生成するために微分回路の他にインバータ回路やブリッジ回路を用いるため低コスト化に課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１５９７５２号公報
【特許文献２】特開平７−３８１８８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K.Hasebe et al.，“Directly Frequency Modulated DFB Laser Integrated with EA modulator for Extended Transmission Reach”，ECOC2010，Th.9.D.5，2010
【非特許文献２】H.Kim et al.，“A Novel Way to Improve the Dispersion-Limited Transmission Distance of Electroabsorption Modulated Lasers”，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.18，No.8，2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光ファイバ伝送後の送信信号エラーの主たる要因は、信号のパルス間干渉により、０，１のレベルの判定を誤ることである。特に１，０，１等のように２つの１レベルの信号の間に０レベルの信号を１ビット含んだような信号列の場合、０レベルの前後のパルスが光ファイバ伝送に伴うパルス広がりによって干渉を受ける結果、０レベルを１レベルと誤って判定し、エラーとなる。
さらに、ＥＡ変調器の動作原理上、変調動作に伴うチャープをゼロとすることは困難である。このチャープのために光ファイバによる伝送距離は更に制限される。
【０００８】
［従来技術によるパルス間干渉抑圧の基本原理］
特許文献１や非特許文献１，２に開示された従来の技術では、パルス間干渉による送信エラーを抑制するために、変調信号０レベルと１レベルの２値によって強度変調された光信号に対して、この強度変調と同期するように周波数変調を行っている。周波数変調によって、０レベル１レベルに応じて、Δｆ（ＧＨｚ）の周波数偏移を与えるとき、ビットレートＢ（Ｇｂ／ｓ）と周波数偏移Δｆと強度変調の消光比ＥＲとが以下の関係となるときに、１ビット分の０レベル前後のパルス間に１８０°の位相差を与えることができ、分散耐性の向上が可能となることが知られている。なお、消光比ＥＲは、１レベルの光強度Ｉ１と０レベルの光強度Ｉ０との比Ｉ１／Ｉ０により定義される。
【０００９】
【数１】
0006470127.tif 000002
【００１０】
このような強度変調と周波数変調を実現するために、特許文献１や非特許文献１，２に開示された従来技術では、図１１に示すように、半導体レーザ１の直接変調による周波数変調とＥＡ変調器２の強度変調とをそれぞれ個別に実施し、式（１）を満足する条件で動作させることで、分散耐性を向上させ、伝送距離の延伸を実現していた。図１１におけるＲ50は終端抵抗、Ｓ１はＥＡ変調器２を駆動するための電圧信号を出力する信号源、Ｓ２は半導体レーザ１に印加される電圧信号を出力する信号源である。
【００１１】
図１１の構成の光変調信号生成装置で生成される光変調信号は、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）−ＣＰＦＳＫ（Continuous Phase Frequency Shift Keying）の信号となるが、強度変調信号を直接検波することで受信が可能な信号である。
しかしながら、図１１に示した従来の構成では、周波数変調のための信号源Ｓ２と接続するＲＦポートＰ２と強度変調のための信号源Ｓ１と接続するＲＦポートＰ１の２つが光変調信号生成装置に必要であり、装置の構成が複雑かつ高コストになるという課題があった。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、簡単かつ低コストな構成で伝送光信号のパルス間干渉による符号誤りを抑制し、伝送可能な距離を延伸することができる光変調信号生成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】
【００１３】
本発明の光変調信号生成装置は、周波数変調された光信号を出力する周波数変調光源と、この周波数変調光源から出力された光を強度変調する光強度変調器と、この光強度変調器を駆動する電圧信号が印加される端子と前記周波数変調光源の電極との間に挿入された第１のコンデンサと、前記電圧信号が印加される端子と前記周波数変調光源の電極との間に、前記第１のコンデンサと直列に挿入された抵抗と、前記周波数変調光源の電極と接地電極との間に挿入された第２のコンデンサとを備え、周波数変調による周波数偏移をΔｆ、ビットレートをＢ、消光比をＥＲとしたとき、前記第１のコンデンサおよび抵抗によって前記電圧信号を分岐させて前記周波数変調光源に印加したときの前記周波数偏移Δｆが、
【数２】
0006470127.tif 000003
を満たすように、周波数変調を実施することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の光変調信号生成装置の１構成例において、前記周波数変調光源は、直接周波数変調が可能な半導体レーザであり、前記周波数変調による周波数偏移Δｆと前記周波数変調光源に印加される電圧ＶLDとの関係が、
【数３】
0006470127.tif 000004
によって表される、比例定数βを有する線形な周波数偏移‐電圧特性の領域を用いることを特徴とするものである。
また、本発明の光変調信号生成装置の１構成例において、前記抵抗の値および前記周波数変調光源の駆動条件は、前記周波数変調による周波数偏移Δｆが、
【数４】
0006470127.tif 000005
を満たすように設定されることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の光変調信号生成装置の１構成例において、前記光強度変調器によって生じるチャープは、正のチャープまたは負のチャープであって、かつ前記周波数変調による周波数偏移Δｆより小さいことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光強度変調器を駆動する電圧信号と周波数変調光源の電極との間に第１のコンデンサと抵抗とを設けることにより、簡単かつ低コストな構成で伝送光信号のパルス間干渉による符号誤りを抑制し、伝送可能な距離を延伸することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の光変調信号生成装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光変調信号生成装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光変調信号生成装置の等価回路図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態においてＥＡ変調器を駆動する電圧信号と半導体レーザに印加される分岐電圧の時間変化の１例を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における光変調信号を説明する図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態においてＥＡ変調器を駆動する電圧信号と半導体レーザとの間に挿入される抵抗と、半導体レーザに印加される分岐電圧との関係の１例を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態において半導体レーザに印加される分岐電圧の振幅と周波数変調による光変調信号の周波数偏移との関係の１例を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るＥＡ変調器集積光源の模式図である。
【図９】従来の光変調信号生成装置および本発明の第１の実施の形態に係る光変調信号生成装置から出力された光変調信号の１００ｋｍ伝送後の信号波形のアイパターンを示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る光変調信号生成装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の光変調信号生成装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。強度変調のみを行う通常のＥＡ変調器集積光源の電気配線においては、図１に示すように単一の配線板を用いてＥＡ変調器２のみに高周波の電圧信号を印加するように配線される。ＥＡ変調器２のみに電圧信号を印加する理由は、半導体レーザ１に電圧信号を印加することでＥＡ変調器２と別のチャープが発生することを避けるためである。
【００２０】
一方、特許文献１や非特許文献１，２に開示された光変調信号生成装置では、式（１）を満足する条件で、半導体レーザ１の直接変調による周波数変調とＥＡ変調器２による強度変調とをそれぞれ個別に実施することにより、伝送距離の延伸を実現していたが、上記のとおり光源の構成が複雑かつ高コストになるという課題があった。
【００２１】
これに対して、本実施の形態では、ＥＡ変調器２のみに高周波の電圧信号を印加する差動駆動用等の配線板を用いて意図的に半導体レーザ１側に高周波の電圧信号が印加されるように配線または実装を行う。図２は本実施の形態に係る光変調信号生成装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態では、以下のようにＥＡ変調器２を駆動するための電圧信号ＶSのみで、半導体レーザ１の直接周波数変調を実施することが可能となるので、図１に示した通常の構成と同様に、変調駆動のために必要なＲＦポートを、信号源Ｓ１と接続するＲＦポートＰ１のみにすることができる。
【００２２】
従来と同様に、ＥＡ変調器２の駆動用の電極には、信号源Ｓ１からＲＦポートＰ１を介して電圧信号ＶSが印加される。
一方、ＲＦポートＰ１と半導体レーザ１の電流注入用の電極との間には、半導体レーザ用のバイアス電流がＥＡ変調器２に流れることを抑止するためのコンデンサＣ１とＥＡ変調器２を駆動する電圧信号ＶSを分圧するための抵抗Ｒ１とが直列に挿入されている。このようなコンデンサＣ１および抵抗Ｒ１の追加により、電圧信号ＶSを分岐し、半導体レーザ１に印加することで、半導体レーザ１の直接周波数変調を実現する。
【００２３】
図３は本実施の形態の光変調信号生成装置の等価回路を示している。図３において、Ｉは半導体レーザ１へのバイアス電流、Ｌは半導体レーザ１へバイアス電流Ｉを印加するために用いられるバイアスティのインダクタンスである。コンデンサＣ１のキャパシタンスをＣ、抵抗Ｒ１の値をＲ、半導体レーザ１の抵抗値をＲLDとすると、これらキャパシタンスＣと抵抗値Ｒ，ＲLDと角周波数ωの電圧信号ＶSとから、半導体レーザ１に印加される電圧の大きさＶLDは、以下の式（２）のように表すことができる。
【００２４】
【数５】
0006470127.tif 000006
【００２５】
上記のとおり、Ｌはバイアスティのインダクタンスを示しているが、ＥＡ変調器２を駆動するための高周波の電圧信号ＶSに対しては、開放となるため無視できる。
図４は、図３に示した等価回路に基づく数値計算によって得られた電圧信号ＶSと半導体レーザ１に印加される分岐電圧ＶLDの時間変化の１例を示す図である。図４より明らかなように、半導体レーザ１に印加される分岐電圧ＶLDとＥＡ変調器２に印加される電圧信号ＶSとが同期していることから、これらの信号を用いて周波数変調と強度変調とを同時に行うことによって、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すような光変調信号が得られることになる。図５（Ａ）は本実施の形態の光変調信号生成装置から出力される光変調信号の光強度−時間特性を示し、図５（Ｂ）は光変調信号生成装置から出力される光変調信号の周波数−時間特性を示している。
【００２６】
図６は抵抗Ｒ１の値Ｒと分岐電圧ＶLDとの関係を計算した１例を示す図である。ここでは、半導体レーザ１の抵抗値ＲLD＝５Ω、電圧信号ＶS＝２Ｖ、キャパシタンスＣ＝１ｐＦ、周波数ｆ＝１０ＧＨｚとして計算している。図６によれば、分岐電圧ＶLDの大きさは、抵抗Ｒ１の値Ｒによって調整できることが分かる。
また、コンデンサＣ１のキャパシタンスＣの大きさは、半導体レーザ１のバイアス電流がＥＡ変調器２へ流れることを抑止することができればよく、数ピコＦ〜数百ピコＦの広い範囲の大きさで十分である。
【００２７】
図７は、半導体レーザ１に印加される分岐電圧ＶLDの振幅と周波数変調による光変調信号の周波数偏移Δｆとの関係の１例を示す図である。この分岐電圧ＶLDと周波数偏移Δｆとの関係は、半導体レーザ１の駆動条件となるバイアス電流や温度に依存するが、標準的な駆動条件下の場合、例えば電流―光出力の関係が線形となる領域を用いる場合には、周波数偏移Δｆも線形となることから、式（３）のように表すことができる。
【００２８】
【数６】
0006470127.tif 000007
【００２９】
式（３）におけるβは比例定数であり、半導体レーザ１の駆動条件（バイアス電流や温度）によって変化するパラメータである。
本実施の形態では、式（２）と式（３）とによって規定される周波数偏移Δｆが式（１）を満たすように半導体レーザ１の直接変調による周波数変調を実施すると同時に、ＥＡ変調器２による強度変調を実施する。周波数変調による光変調信号の周波数偏移Δｆが式（１）を満たすようにするためには、半導体レーザ１の駆動条件（バイアス電流や温度）の設定によって定数βを調整したり、抵抗Ｒ１の値Ｒの設定によって分岐電圧ＶLDを調整したりすればよい。
【００３０】
図８は、本実施の形態で用いる半導体レーザ１とＥＡ変調器２とを集積したＥＡ変調器集積光源の模式図である。ＥＡ変調器集積光源は、半導体基板１００と、半導体基板１００上に形成された半導体レーザ１のコア層（活性層）１０１と、コア層１０１上に形成された半導体レーザ１の回折格子層１０２と、半導体レーザ１から出射された光をＥＡ変調器２へ伝搬させるパッシブ層１０３と、半導体基板１００上に形成されたＥＡ変調器２のコア層（吸収層）１０４と、回折格子層１０２とパッシブ層１０３とコア層１０４との上に形成されたクラッド層１０５と、半絶縁半導体またはポリイミド等からなる電流ブロック層１０６と、クラッド層１０５上に形成されたコンタクト層１０７と、電流ブロック層１０６上に形成されたパッシベーション膜１０８と、パッシベーション膜１０８上に形成された半導体レーザ１の電極１０９と、パッシベーション膜１０８上に形成されたＥＡ変調器２の電極１１０とから構成される。
【００３１】
ＥＡ変調器集積光源の構成は、半絶縁性半導体の埋め込み再成長によって半導体レーザ１とＥＡ変調器２とを構成するものや、リッジ構造とポリイミド系の樹脂による埋め込み構造を用いるものであっても構わない。
【００３２】
図９（Ａ）は図１に示した従来の光変調信号生成装置から出力された光変調信号の１００ｋｍ伝送後の信号波形のアイパターンを示す図、図９（Ｂ）は本実施の形態の光変調信号生成装置から出力された光変調信号の１００ｋｍ伝送後の信号波形のアイパターンを示す図である。ここでは、ビットレートを１０Ｇｂｉｔ／ｓとしている。本実施の形態によれば、従来の光変調信号生成装置と比較して、良好なアイ開口が得られることが確認できる。
【００３３】
以上のようにして、本実施の形態では、ＲＦポートが１つのみの簡単かつ低コストな構成で伝送光信号のパルス間干渉による符号誤りを抑制し、伝送可能な距離を延伸することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態および以下の第２の実施の形態では、ＥＡ変調器２の持つ固有のチャープに対して、付加的に周波数変調を与えるようにしているため、ＥＡ変調器２の駆動条件によって変化するチャープの符合については、正負どちらであっても構わない。ただし、このチャープは、周波数変調による光変調信号の周波数偏移Δｆよりも小さいことが望ましい。
【００３５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１０は本発明の第２の実施の形態に係る光変調信号生成装置の構成を示すブロック図であり、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の光変調信号生成装置は、第１の実施の形態の光変調信号生成装置に対して、半導体レーザ１による周波数変調とＥＡ変調器２による強度変調のタイミング調整のために、半導体レーザ１と並列に遅延調整のためのコンデンサＣ２を追加したものである。
【００３６】
このコンデンサＣ２は、具体的には、図８の電極１０９と半導体基板１００の下面に形成される接地（ＧＮＤ）側の電極（不図示）との間に挿入すればよい。コンデンサＣ２としては、キャパシタンスのオーダーが数ピコＦ程度のものを用いればよい。コンデンサＣ２のキャパシタンスをＣdとすると、コンデンサＣ２が無い場合の半導体レーザ１への印加電圧ＶLDに対して、コンデンサＣ２を追加した場合の半導体レーザ１への印加電圧ＶLDDは次のように示される。
【００３７】
【数７】
0006470127.tif 000008
【００３８】
このように、本実施の形態では、周波数変調に対する強度変調の遅延時間を調整するために、コンデンサＣ２のキャパシタンスＣdの設定によってコンデンサＣ２へのチャージ時間を調整することができ、半導体レーザ１への印加電圧ＶLDDのタイミングを調整することができるので、半導体レーザ１による周波数変調とＥＡ変調器２による強度変調とを精度良く同期させることが可能となる。
【００３９】
なお、第１、第２の実施の形態では、周波数変調による周波数偏移Δｆを得るための周波数変調光源として、半導体レーザ１、具体的には直接周波数変調が可能なＤＦＢレーザを用いたが、これに限るものではなく、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ、二重共振型リングレーザ、ＳＳＧ（Super Structure Grating）−ＤＢＲレーザ等の波長可変レーザの可変機構を電圧または電流によって制御することで、式（１）、式（４）を満たす動作が可能なものであれば、本発明の周波数変調光源として用いることが可能である。
【００４０】
また、第１、第２の実施の形態では、光強度変調器として、ＥＡ変調器を用いたが、マッハ・ツェンダ型光変調器を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、光通信用の光変調信号を生成する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…半導体レーザ、２…ＥＡ変調器、Ｒ50…終端抵抗、Ｒ１…抵抗、Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、Ｐ１…ＲＦポート、Ｓ１…信号源。
【図１】
0006470127.tif 000012
【図２】
0006470127.tif 000013
【図３】
0006470127.tif 000014
【図４】
0006470127.tif 000015
【図５】
0006470127.tif 000016
【図６】
0006470127.tif 000017
【図７】
0006470127.tif 000018
【図８】
0006470127.tif 000019
【図９】
0006470127.tif 000020
【図１０】
0006470127.tif 000021
【図１１】
0006470127.tif 000022