(57)【要約】【課題】光信号源の変調帯域が光信号のビットレートよりも小さい場合でも、直接変調方式により伝送を行うことを可能にする。【解決手段】光変調光源は、多値の信号強度を有する電気信号により駆動され、多値の周波数で光周波数変調された光信号を生成する光信号源１０２と、光周波数変調された光信号を２値の振幅変調された光信号に変換する光弁別器１０３とを備えた。光変調光源は、２値の信号強度を有する電気信号を、多値の信号強度を有する電気信号に変換し、光信号源１０２を駆動する変換手段１０１をさらに備えることもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多値の信号強度を有する電気信号により駆動され、多値の周波数で光周波数変調された光信号を生成する光信号源と、
前記光周波数変調された光信号を２値の振幅変調された光信号に変換する光弁別器と
を備えたことを特徴とする光変調光源。
【請求項２】
２値の信号強度を有する電気信号を、多値の信号強度を有する電気信号に変換し、前記光信号源を駆動する変換手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光変調光源。
【請求項３】
前記変換手段は、前記２値の信号強度を有する電気信号の帯域を制限し、３値の信号強度を有する電気信号に変換する低域通過フィルタであることを特徴とする請求項２に記載の光変調光源。
【請求項４】
前記低域通過フィルタの高域３ｄＢ遮断周波数の値は、前記２値の信号強度を有する電気信号のビットレートの２０％〜３５％であることを特徴とする請求項３に記載の光変調光源。
【請求項５】
前記光信号源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光変調光源。
【請求項６】
前記光信号源の光周波数変調度の値は、前記２値の信号強度を有する電気信号のビットレートの半分であることを特徴とする請求項５に記載の光変調光源。
【請求項７】
前記光弁別器は、前記光周波数変調された光信号の最小周波数と最大周波数の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在する透過または反射特性を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずかに記載の光変調光源。
【請求項８】
前記光弁別器は、透過または反射モードを有する干渉型フィルタであることを特徴とする請求項７に記載の光変調光源。
【請求項９】
前記干渉型フィルタは、キャビティ型であることを特徴とする請求項８に記載の光変調光源。
【請求項１０】
前記干渉型フィルタは、導波路型であることを特徴とする請求項８に記載の光変調光源。
【請求項１１】
前記光弁別器は、回折格子であることを特徴とする請求項７に記載の光変調光源。
【請求項１２】
前記回折格子は、ファイバグレーティングであることを特徴とする請求項１１に記載の光変調光源。
【請求項１３】
２値の信号強度を有する電気信号を入力し、２値の振幅変調された光信号を出力する光変調光源の光変調方法であって、
前記２値の信号強度を有する電気信号を、多値の信号強度を有する電気信号に変換する第１工程と、
前記多値の信号強度を有する電気信号を、多値の周波数で光周波数変調された光信号に変換する第２工程と、
前記光周波数変調された光信号を、２値の振幅変調された光信号に変換する第３工程と
を備えたことを特徴とする光変調方法。
【請求項１４】
前記第１工程は、前記２値の信号強度を有する電気信号の帯域を制限することを特徴とする請求項１３に記載の光変調方法。
【請求項１５】
前記第３工程は、前記光周波数変調された光信号の最小周波数と最大周波数の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在する入出力特性を有することを特徴とする請求項１３または１４に記載の光変調光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調光源および光変調方法に関し、より詳細には、光信号源への電流注入の変調により生じる光周波数の変調信号を、強度変調信号に変換して光ファイバに伝送する光変調方式にかかる光変調光源および光変調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信用の光源として、半導体レーザが広く用いられており、主として、ＤＦＢ（Distributed Feed Back）レーザが用いられてきた。変調方式としては、ＤＦＢレーザの駆動電流を変調することにより、レーザ発振光の強度を変調する直接変調方式が用いられている。直接変調方式は、光送信器の構成をコンパクトにでき、低コストであることから、広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、直接変調方式の欠点の一つとして、チャープが大きいことが挙げられる。チャープとは、強度変調に伴う光周波数または位相の急速な変化のことである。チャープの大きな光信号パルスは、分散を有する光ファイバを伝搬した後に波形が歪んでしまうので、伝送距離が制限されていた。そこで、光フィルタを用いて、チャープした周波数成分を除去することにより伝送距離を拡大する方法が提案された。例えば、１．５５μｍ帯ＤＦＢレーザを、光信号のビットレート１０Ｇｂ／ｓ、直接変調方式で用いた場合、伝送距離を１８．４ｋｍから３８．５ｋｍに拡大できることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、直接変調時に生じる周波数変調成分を積極的に利用することにより、更なる長距離伝送が可能であることが報告されている。これは、チャープマネージドレーザ（ＣＭＬ）と呼ばれている。ＣＭＬでは、部分的に周波数変調した光信号を、透過ピークが信号光の中心周波数（またはキャリア周波数）からずれている光フィルタに入射する。これにより、光フィルタの透過域の透過端を用いて、光フィルタの透過率の正または負のどちらか一方の傾きにより、周波数変調を強度（振幅）変調に変換する。この方法により１．５５μｍ帯ＤＦＢレーザを、光信号のビットレート１０Ｇｂ／ｓ、直接変調方式で用いた場合、伝送距離を２５０ｋｍまで拡大できることが報告されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
【非特許文献１】P.A.Morton et al., “38.5km error free transmission at 10Gb/s in standard fibre using a low chirp, spectrally filtered, directly modulated 1.55um DFB laser”, IEE Electronics Letters, vol.33, No.4, p.310-311, 1997
【非特許文献２】D.Mahgerefteh et al., “Error-free 250km transmission in standard fibre using compact 10Gb/s chirp-managed directly modulated lasers (CML) at 1550nm”, IEE Electronics Letters, vol.41, No.9, p.543-544, 2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の直接変調方式による光送信器は、半導体レーザと光フィルタを組み合わせた簡易な構成であるため、低コストで長距離伝送を実現することができる。しかしながら、半導体レーザの変調帯域としては、光信号のビットレートと同程度を要求されるため、変調速度の上限がレーザの緩和振動周波数以下に制限されていた。すなわち、１０Ｇｂ／ｓの変調を行う場合、半導体レーザの変調帯域も７〜８ＧＨｚ以上が要求される。従来のＤＦＢレーザの変調帯域は１２〜１３ＧＨｚ程度が上限であるため、更なる高速変調への対応、例えば、４０Ｇｂ／ｓへの対応は不可能であった。
【０００７】
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、光信号源の変調帯域が光信号のビットレートよりも小さい場合でも、直接変調方式により伝送を行うことが可能な光変調光源および光変調方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の光変調光源は、多値の信号強度を有する電気信号により駆動され、多値の周波数で光周波数変調された光信号を生成する光信号源と、前記光周波数変調された光信号を２値の振幅変調された光信号に変換する光弁別器とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
前記光変調光源は、２値の信号強度を有する電気信号を、多値の信号強度を有する電気信号に変換し、前記光信号源を駆動する変換手段をさらに備えることもできる。前記変換手段は、前記２値の信号強度を有する電気信号の帯域を制限する。
【００１０】
前記光弁別器は、前記光周波数変調された光信号の最小周波数と最大周波数の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在する透過または反射特性を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項１３に記載の発明は、２値の信号強度を有する電気信号を入力し、２値の振幅変調された光信号を出力する光変調光源の光変調方法であって、前記２値の信号強度を有する電気信号を、多値の信号強度を有する電気信号に変換する第１工程と、前記多値の信号強度を有する電気信号を、多値の周波数で光周波数変調された光信号に変換する第２工程と、前記光周波数変調された光信号を、２値の振幅変調された光信号に変換する第３工程とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
前記第１工程は、前記２値の信号強度を有する電気信号の帯域を制限することを特徴とする。前記第３工程は、前記光周波数変調された光信号の最小周波数と最大周波数の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在する入出力特性を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、多値の信号強度を有する電気信号により、多値の周波数で光周波数変調された光信号を生成した後、２値の振幅変調された光信号に変換するので、光信号源の変調帯域が光信号のビットレートよりも小さい場合でも、直接変調方式により伝送を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。  
（第１の実施形態）
（光変調光源）
図１に、本発明の第１の実施形態にかかる光変調光源の構成を示す。光変調光源は、入力された電気信号の高周波帯域を制限する帯域制限フィルタ１０１と、帯域制限された信号を入力して周波数変調信号を生成する光信号源１０２と、光弁別器１０３とが縦続に接続されている。帯域制限フィルタ１０１は、例えば、ベッセルフィルタに代表されるような低域通過フィルタを用いることができる。光信号源１０２は、例えば、直接変調方式の半導体レーザを用いることができる。光弁別器１０３は、例えば、エタロンと呼ばれているキャビティ型の干渉フィルタを用いることができる。
【００１５】
図２および３を参照しながら、光変調光源の動作原理を説明する。図２（ａ）は、図１に示した帯域制限フィルタ１０１に入力される電気信号Ｓ１の信号強度波形であり、２値のデジタル信号を表している。縦軸は電圧、横軸は時間である。ビットレートは、例えば、４０Ｇｂ／ｓとすることができる。帯域制限フィルタ１０１の高域３ｄＢ遮断周波数ｆｃは、例えば、１２ＧＨｚとすることができる。詳しくは後述する。
【００１６】
図２（ｂ）は、帯域制限フィルタ１０１から出力される帯域制限された電気信号Ｓ２の波形である。縦軸は電圧、横軸は時間である。信号レベルがＨ，Ｍ，Ｌの３値に変換されている。帯域制限された電気信号Ｓ２は、直接、光信号源１０２に入力される。半導体レーザである光信号源１０２の駆動条件としては、閾値よりも高い直流バイアス電流をかけ、そこに高周波信号として帯域制限された電気信号Ｓ２を重畳する。光信号源１０２は、高周波信号と同期した光周波数変調信号を発生する。この半導体レーザに要求される変調周波数帯域は、電気信号が１２ＧＨｚに帯域制限されているため、電気信号と同等の１２ＧＨｚ程度で構わない。
【００１７】
光信号源１０２から出力される光信号Ｓ３は、図２（ｂ）の縦軸を、光周波数に読み替えればよい。光信号Ｓ３は、帯域制限された電気信号Ｓ２と同じく３値に変調されており、Ｌレベルで周波数ｆ1、Ｍレベルで周波数ｆ2、Ｈレベルで周波数ｆ3となっている。直接変調方式の半導体レーザの場合、電流値が大きい方が周波数は高くなるため、ｆ1＜ｆ2＜ｆ3となる。ここで、便宜上、Ｌレベルに対応する周波数ｆ1を最小周波数、Ｈレベルに対応する周波数ｆ3を最大周波数と呼ぶことにする。
【００１８】
図２（ｃ）は、周波数変調の変調度（Δｆ＝ｆ3−ｆ1）が、例えば２０ＧＨｚになるように半導体レーザの駆動条件を設定したときの、光信号源１０２から出力される光信号Ｓ３の光スペクトルである。横軸は、周波数ｆ3を中心として、周波数ｆ3からのずれを表し、縦軸は光強度の対数である。
【００１９】
図３（ａ）は、光弁別器１０３の透過または反射特性を示す。例えば、反射率Ｒ＝０．３〜０．７程度のミラー対によりキャビティが構成されたエタロンを、光弁別器１０３として用いる。ここで、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において、正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在するように設定する。周波数ｆ1に対する出力レベルはＰ1、周波数ｆ2に対する出力レベルはＰ2、周波数ｆ3に対する出力レベルはＰ1とする。３値の周波数変調信号である光信号Ｓ３は、光弁別器１０３により光信号Ｓ４に変換される。
【００２０】
図３（ｂ）は、光弁別器１０３から出力される光信号Ｓ４の光のスペクトルであり、図３（ｃ）は、光弁別器１０３から出力される光信号Ｓ４の強度波形である。光信号Ｓ４の光のスペクトルは、図３（ｂ）に示すように、中央部で窪んだ形状になる。光信号Ｓ４の時間波形は、４０Ｇｂ／ｓの２値の振幅変調信号となる。
【００２１】
このようにして、入力された電気信号を多値化するステップと、多値化された電気信号により多値の光周波数変調信号を生成するステップと、多値の光周波数変調信号を２値の振幅変調信号に変換するステップとを有することにより、１２ＧＨｚの変調帯域しか有さない光信号源１０２を用いて、４０Ｇｂ／ｓの変調信号を生成することができる。
【００２２】
ここでは、３値の信号レベルの電気信号から、３値の周波数変調された光信号に変換した例を示したが、４値またはそれ以上の多値に変換することもできる。
【００２３】
（帯域制限フィルタ）
帯域制限フィルタ１０１は、上述したように、例えば、ベッセルフィルタに代表されるような低域通過フィルタを用いることができる。このとき、２値信号を３値信号に変換するという観点から、高域３ｄＢ遮断周波数ｆｃの値は、入力される電気信号のビットレートの２０％〜３５％程度に設定することが望ましい。例えば、ビットレートが４０Ｇｂ／ｓの場合、高域３ｄＢ遮断周波数ｆｃの値は、８〜１４ＧＨｚ程度に設定することが望ましい。
【００２４】
（光信号源−１）
光周波数変調の変調度（Δｆ＝ｆ3−ｆ1）については、特に制約を設けるものではない。しかし、伝送距離を最長化するという観点からは、変調度の値は、光周波数変調の変調度がビットレートの半分となるように設定することが望ましい。例えば、ビットレートが４０Ｇｂ／ｓの場合、光周波数変調度がΔｆ＝ｆ3−ｆ1＝２０ＧＨｚとすることが、最も長距離伝送に適している。一般的に、光周波数変調の変調度がビットレートの半分になった状態を、ミニマムシフトキーイング（ＭＳＫ）と呼び、変調スペクトルの幅が最小になることが知られている。本実施形態においても、ＭＳＫ条件を用いることにより、光ファイバの分散の影響を最小化し、伝送距離を拡大することができる。
【００２５】
半導体レーザの変調帯域が光信号のビットレートよりも小さい場合でも、直接変調方式により伝送を行うことができるという目的効果を奏する限りにおいては、光周波数変調の変調度に制約を設けるものではない。光弁別器として用いる光フィルタの光周波数応答を光周波数変調の変調度に応じて適切なものを選定することにより、上述した目的効果を奏することができる。
【００２６】
上述したように、帯域制限フィルタの高域３ｄＢ遮断周波数ｆｃの値は、入力される電気信号のビットレートの２０％〜３５％程度に設定することが望ましい。帯域制限された電気信号により駆動される光信号源に要求される変調帯域は、駆動する電気信号と同程度あれば十分であり、ビットレートの２０％〜３５％程度が要求される。逆に、光信号源の変調帯域がわかれば、本実施形態の光変調光源により実現可能なビットレートは、高域３ｄＢ遮断周波数ｆｃの逆数から、変調帯域の３〜５倍程度であると導き出せる。
【００２７】
（光弁別器−１）
光弁別器としては、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在することが必要である。例えば、図３（ａ）に示した光弁別器の場合、周波数ｆ1において傾きは負であり、周波数ｆ2において最小値をとり、周波数ｆ3において傾きは正である。このように、３値信号の中央の周波数ｆ2付近で極値を有し、その前後において傾きの符号が異なるような光周波数応答を有するフィルタであればよい。
【００２８】
図４に、実施例１にかかる光弁別器の構成を示す。シングルキャビティ型の干渉フィルタ（エタロン）である。光弁別器は、誘電体多層膜ミラー３０１，３０２と、これに挟まれた厚さＬのスペーサー層３０５とから構成されている。誘電体多層膜ミラー３０１，３０２は、Ｔａ2Ｏ5からなる高屈折率層３０３と、ＳｉＯ2からなる低屈折率層３０４とが交互に積層されている。
【００２９】
スペーサー層３０５の厚さＬは、エタロンの透過ピークもしくは反射ピークの光周波数軸上での間隔により決定され、ピークの光周波数間隔（またはＦＳＲ：Free Spectral Range）をΔｆに設定したい場合にはＬ＝ｃ／２／ｎ／Δｆと設定すればよい。ここで、ｃは真空中の光速、ｎはスペーサー層の屈折率である。例えば、スペーサー層の屈折率がｎ＝１．５のとき、ＦＳＲを１００ＧＨｚとしたい場合には、Ｌ＝１ｍｍとすればよい。図３（ａ）は、誘電体多層膜ミラーの反射率Ｒ＝０．７、ＦＳＲ＝２００ＧＨｚのエタロンを、反射モードで用いた場合の光周波数応答を示している。
【００３０】
一般的に、信号光の光スペクトルをフィルタリングする場合、光弁別器のＦＳＲの値は、信号光のビットレートの５倍程度のものが用いられる。ＦＳＲが狭いと、ＦＳＲに比例して信号光の透過帯域も狭くなり、信号光のスペクトルが必要以上にフィルタリングされてしまうからである。このとき、信号光の時間波形は、大幅に歪んでしまう。本実施形態によれば、光信号のビットレートに比べて、半導体レーザの変調帯域が１／３以下であるため、光弁別器に入力される信号光のスペクトル幅は、従来のＮＲＺ変調の場合と比較して狭い。従って、要求されるＦＳＲも、従来のＮＲＺ変調と比較すると狭いものを利用することができる。また、信号光のスペクトル幅が狭いので、光ファイバ伝送時の伝送特性は、従来のＮＲＺ変調より優れており、より長距離を伝送することが可能である。
【００３１】
上述の実施形態では、光信号のビットレート４０Ｇｂ／ｓに対し、５倍のＦＳＲ＝２００ＧＨｚを有するエタロンついて示したが、１．２５倍であるＦＳＲ＝５０ＧＨｚのエタロンを用いることもできる。反射率Ｒ＝０．５、ＦＳＲ＝１００ＧＨｚのエタロン、反射率Ｒ＝０．３、ＦＳＲ＝５０ＧＨｚのエタロンを用いた場合でも、反射モードでの光周波数応答は、図３（ａ）の特性を得ることができる。従来、１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ変調用として広く用いられているＦＳＲ＝５０ＧＨｚのエタロンフィルタを用いることができるので、システムの低コスト化を図ることができる。なお、反射率ＲとＦＳＲの関係は、上記の組み合わせに限定されるものではなく、反射率Ｒの範囲としては約０．３〜０．９５程度までの値に対し、適切なＦＳＲを設定することにより、本実施形態の光変調光源に適用することができる。
【００３２】
図５に、光弁別器の配置法を示す。図５（ａ）は、図４に示したエタロンを反射モードで用いる構成を示している。光弁別器入力４０２ａは、図１に示した光信号Ｓ３であり、光弁別器４０１ａに傾けて入射される。光弁別器出力４０３ａは、図１に示した光信号Ｓ４であり、入射光と反射光の光路が重ならないように構成する。
【００３３】
図５（ｂ）もエタロンを反射モードで用いる構成である。光弁別器入力４０２ｂは、光弁別器４０１ｂで反射され、光サーキュレータ４０４により光弁別器出力４０３ｂとして出力される。図５（ｃ）に示すように、光サーキュレータ４０４に代えて、ビームスプリッタ４０５を用いて反射光を取り出すこともできる。ビームスプリッタ４０５は、バルク型であってもよく、ファイバカプラであってもよい。
【００３４】
図５（ｄ）は、偏光ビームスプリッタ４０６と１／４波長板４０７とを用いて反射光を取り出す。偏光ビームスプリッタ４０６を直進透過する偏光状態を仮に状態Ａと呼ぶ。状態Ａの偏波状態で光弁別器入力４０２ｄが偏光ビームスプリッタ４０６に入射すると、偏光ビームスプリッタ４０６をそのまま透過し、１／４波長板４０７で偏光状態が４５度回転した状態で光弁別器４０１ｄに入射し反射される。反射光は、再び１／４波長板４０７で偏光状態が４５度回転し、状態Ａと９０度異なる状態で偏光ビームスプリッタ４０６に入射される。偏光状態が状態Ａと９０度異なっているので、偏光ビームスプリッタ４０７で反射され、光弁別器出力４０３ｄとして出力される。
【００３５】
このように、偏光ビームスプリッタ４０６と１／４波長板４０７とを組み合わせた構成では、偏光状態により光路変換動作が行われるために、図５（ｃ）のビームスプリッタ４０５を用いた構成と比較して、分岐損が無いという利点を有する。
【００３６】
（光弁別器−２）
図６に、実施例２にかかる光弁別器の構成を示す。ダブルキャビティ型の干渉フィルタ（エタロン）である。光弁別器は、誘電体多層膜ミラー３０６，３０７，３０８と、これに挟まれた厚さＬのスペーサー層３１１ａ，３１１ｂとから構成されている。誘電体多層膜ミラー３０６，３０７，３０８は、Ｔａ2Ｏ5からなる高屈折率層３０９と、ＳｉＯ2からなる低屈折率層３１０とが交互に積層されている。
【００３７】
例えば、反射ミラー３０６，３０７の反射率を０．２〜０．４程度に、反射ミラー３０８の反射率を０．５〜０．９程度に設定する。２箇所のスペーサー層３１１ａ，３１１ｂの厚さを共に０．５〜４ｍｍ程度に設定することにより、図３（ａ）の特性を得ることができる。すなわち、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在するようなフィルタを構成することができる。
【００３８】
実施例２では、スペーサーが２箇所あるダブルキャビティフィルタについて説明したが、スペーサーが複数（３箇所以上）存在するマルチキャビティフィルタについても同様な効果が期待できることは言うまでもない。反射型で用いる光弁別器の配置に関しては、図５（ａ）〜（ｄ）で説明した実施例１と同じである。
【００３９】
（光弁別器−３）
図７に、実施例３にかかる光弁別器の構成を示す。図７（ａ）は、光導波路により構成されたリングフィルタを示す図である。リングフィルタは、透過モードを有する干渉型フィルタであり、リングキャビティを構成しているのでキャビティ型に分類されるが、導波路により構成されているので、導波路型にも分類される。リングフィルタは、入力導波路３１２を一方の面に、出力導波路３１３を他方の面に接続するカプラ３１４を備え、カプラ３１４の一方の面から他方の面にリング導波路３１５が接続されている。リングフィルタの透過特性は、図３（ａ）の特性を得ることができる。すなわち、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在するようなフィルタを構成することができる。
【００４０】
リングフィルタは、透過モードのフィルタであり、図７（ｂ）に示した配置となる。光弁別器入力４０２ｅは、図１に示した光信号Ｓ３であり、光弁別器４０１ｅであるリングフィルタの入力導波路３１２に入射される。光弁別器出力４０３ａは、図１に示した光信号Ｓ４であり、リングフィルタの出力導波路３１３から出射される。光弁別器を透過状態で用いるため、光弁別器の配置は単純化され、光路中に光弁別器を挿入するだけでよい。
【００４１】
（光弁別器−４）
図８に、実施例４にかかる光弁別器の構成を示す。透過モードを有する干渉型フィルタであり、導波路型のマッハツェンダ型フィルタである。マッハツェンダ型フィルタは、入力導波路３１２に接続されたカプラ３１４ａと、出力導波路３１３に接続されたカプラ３１４ｂと、カプラ３１４ａ，３１４ｂとの間に光路長差を設けた２本のアーム導波路３１８ａ，３１８ｂとから構成されている。マッハツェンダ型フィルタの透過特性は、図３（ａ）の特性を得ることができる。すなわち、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在するようなフィルタを構成することができる。実施例４では、透過型のフィルタであり、図７（ｂ）に示したように、光路中に光弁別器を挿入するだけでよく、光弁別器の配置が単純化される。
【００４２】
（光弁別器−５）
図９に、実施例５にかかる光弁別器の構成を示す。光ファイバ３１６中に屈折率の周期的摂動３１７が形成されたファイバグレーティングフィルタである。ファイバグレーティングフィルタの透過特性は、図３（ａ）に示した特性を得ることができる。すなわち、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在するようなフィルタを構成することができる。
【００４３】
実施例５では、ファイバグレーティングについて説明したが、グレーティング反射器であれば、石英導波路中に形成されたグレーティングであってもよく、また半導体中に形成されたグレーティングであっても同様な動作が実現できることは言うまでもない。グレーティングの構成法についても特に制約を設けるものではなく、媒質の屈折率自体が周期的に変化しているような構造であればよい。また、導波路のコア層もしくはクラッド層の厚さ等の構造が周期的に変化している構造でもよい。実施例５では、透過型のフィルタであり、図７（ｂ）に示したように、光路中に光弁別器を挿入するだけでよく、光弁別器の配置が単純化される。
【００４４】
（第２の実施形態）
（光変調光源）
第１の実施形態では、光弁別器である光フィルタの光周波数応答が図３（ａ）で示される場合について説明した。すなわち、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在し、かつ最小周波数ｆ1の近傍では負の傾き、最大周波数ｆ3の近傍では正の傾きとなっている。多値光周波数変調信号を２値振幅変調信号に変換する光弁別器の周波数応答として、図３（ａ）の特性曲線を、上下逆さにした特性を用いることもできる。すなわち、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在し、かつ最小周波数ｆ1の近傍では正の傾き、最大周波数ｆ3の近傍では負の傾きとなっている光弁別器である。
【００４５】
図１０および１１を参照しながら、本発明の第２の実施形態にかかる光変調光源の動作原理を説明する。図１０（ａ）は、図１に示した帯域制限フィルタ１０１に入力される電気信号Ｓ１の強度波形であり、２値のデジタル信号を表している。縦軸は電圧、横軸は時間である。波形は、図２（ａ）と同じである。
【００４６】
図１０（ｂ）は、帯域制限フィルタ１０１から出力される帯域制限された電気信号Ｓ２の波形である。縦軸は電圧、横軸は時間である。信号レベルがＨ，Ｍ，Ｌの３値に変換されている。波形は、図２（ｂ）と同じである。光信号源１０２から出力される光信号Ｓ３は、図１０（ｂ）の縦軸を、光周波数に読み替えればよい。光信号Ｓ３は、帯域制限された電気信号Ｓ２と同じく３値に変調されており、Ｌレベルで周波数ｆ1、Ｍレベルで周波数ｆ2、Ｈレベルで周波数ｆ3となっている。直接変調方式の半導体レーザの場合、電流値が大きい方が周波数は高くなるため、ｆ1＜ｆ2＜ｆ3となる。
【００４７】
図１０（ｃ）は、周波数変調の変調度（Δｆ＝ｆ3−ｆ1）が、例えば４０ＧＨｚになるように半導体レーザの駆動条件を設定したときの、光信号源１０２から出力される光信号Ｓ３の光スペクトルである。横軸は、周波数ｆ3を中心として、周波数ｆ3からのずれを表し、縦軸は光強度の対数である。
【００４８】
第１の実施形態で述べたように、伝送距離を最長化するという観点からは、周波数変調の変調度がビットレートの半分となるように設定することが望ましい。例えば、ビットレートが４０Ｇｂ／ｓの場合、周波数変調度がΔｆ＝ｆ3−ｆ1＝２０ＧＨｚとすることが最も長距離伝送に適している。しかし、周波数変調の変調度（Δｆ＝ｆ3−ｆ1）については、特に制約を設ける必要はないので、第２の実施形態では、最適値の倍の４０ＧＨｚでも動作可能であることを示す。
【００４９】
図１０（ｃ）に示した周波数変調の変調度が４０ＧＨｚの場合、図２（ｃ）に示した変調度が２０ＧＨｚの場合と比べると、光スペクトルの幅が広くなる。加えて、最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3に対応する周波数に線スペクトルが現れる。３値に変調された光信号Ｓ３は、光フィルタ１０３に入射される。
【００５０】
図１１（ａ）は、光弁別器１０３の透過または反射特性を示す。例えば、反射率Ｒ＝０．３〜０．７程度のミラー対によりキャビティが構成されたエタロンであって、図４（ａ）に示したシングルキャビティ型のファブリペローフィルタを透過型フィルタとして、光弁別器１０３に適用する。ここでは、反射率Ｒ＝０．３、ＦＳＲ＝１００ＧＨｚのエタロンフィルタを用いた。周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在し、かつ最小周波数ｆ1の近傍では正の傾き、最大周波数ｆ3の近傍では負の傾きとなっている。周波数ｆ1に対する出力レベルはＰ2、周波数ｆ2に対する出力レベルはＰ1、周波数ｆ3に対する出力レベルはＰ2とする。３値の周波数変調信号である光信号Ｓ３は、光弁別器１０３により光信号Ｓ４に変換される。
【００５１】
図１１（ｂ）は、光弁別器１０３から出力される光信号Ｓ４の光のスペクトルであり、図１１（ｃ）は、光弁別器１０３から出力される光信号Ｓ４の強度波形である。光信号Ｓ４の光のスペクトルは、図１０（ｃ）に示した光信号Ｓ３の光のスペクトルよりも幅の細い形状になる。光信号Ｓ４の時間波形は、４０Ｇｂ／ｓの２値の振幅変調信号となる。この時間波形は、図３（ｃ）と比較すると、論理レベルが反転した波形となっている。
【００５２】
このようにして、入力された電気信号を多値化するステップと、多値化された電気信号により多値の光周波数変調信号を生成するステップと、多値の光周波数変調信号を２値の振幅変調信号に変換するステップとを有することにより、１２ＧＨｚの変調帯域しか有さない光信号源１０２を用いて、４０Ｇｂ／ｓの変調信号を生成することができる。
【００５３】
第２の実施形態では、反射率Ｒ＝０．３、ＦＳＲ＝１００ＧＨｚのエタロンを光弁別器として用いたが、例えば、反射率Ｒ＝０．６、ＦＳＲ＝２００ＧＨｚのエタロンを用いることもできる。また、第１の実施形態と同様に、反射率ＲとＦＳＲの関係は、上記の組み合わせに限定されるものではなく、反射率Ｒの範囲としては約０．３〜０．９５程度までの値に対し、適切なＦＳＲを設定することにより、本実施形態の光変調光源に適用することができる。
【００５４】
第２の実施形態では、周波数変調度が４０ＧＨｚであり、ＭＳＫ条件と比較してスペクトルが広い条件での変調について説明した。本実施形態によれば、光信号源からの周波数変調された光信号Ｓ３を光弁別器によりフィルタリングするため、振幅変調に変換された後の光信号Ｓ４のスペクトルは、変換前よりも狭くなっている。そのため、光ファイバの分散による波形劣化を低減することが可能となり、ＭＳＫ条件よりもスペクトルが広い駆動条件においても、従来のＮＲＺ変調と比較すると、光ファイバ伝送時の伝送特性は、従来のＮＲＺ変調より優れている。
【００５５】
（光弁別器−６）
図６に示したダブルキャビティ型の干渉フィルタ（エタロン）を透過型の光弁別器として用いることができる。反射ミラー３０６，３０７の反射率を０．２〜０．４程度に、反射ミラー３０８の反射率を０．５〜０．９程度に設定する。２箇所のスペーサー層３１１ａ，３１１ｂの厚さを共に０．５〜４ｍｍ程度にすることにより、図１１（ａ）の特性を得ることができる。すなわち、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在し、かつ最小周波数ｆ1の近傍では正の傾き、最大周波数ｆ3の近傍では負の傾きとなる。このようにして、光信号源の変調帯域を超えたビットレートに対しても変調動作を行うことができる。
【００５６】
第１の実施形態で述べたとおり、光弁別器は、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在することが必要である。例えば、エタロンに限らず、マッハツェンダ型干渉フィルタ、リングフィルタ等を用いることもできる。このように、光周波数の３値信号の中央の周波数ｆ2付近で極値を有し、その前後において傾きの符号が異なるような光周波数応答を有するフィルタであればよい。
【００５７】
（光弁別器−７）
図９に示したファイバグレーティングフィルタを反射型光弁別器として用いることもできる。図１１（ａ）に示した特性、すなわち、周波数変調された光信号の最小周波数ｆ1と最大周波数ｆ3の間において正の傾きを持つ領域と負の傾きを持つ領域の両方が存在し、かつ最小周波数ｆ1の近傍では正の傾き、最大周波数ｆ3の近傍では負の傾きとなる光周波数応答を実現することができる。
【００５８】
（その他の実施形態）
（帯域制限フィルタ）
帯域制限フィルタは、上述したように、低域通過フィルタを用いることができる。４値またはそれ以上の多値に変換する場合にも、低域通過フィルタを用いることができるが、加算回路を用いた信号処理回路を用いれば、精度よく変換することができる。例えば、２系列の２値の電気信号を、それぞれ重み付けを行って電圧加算すれば、４値の電気信号に変換することができる。
【００５９】
（光信号源）
多値の光周波数変調信号を生成する光信号源として、直接変調方式の半導体レーザを用いた。半導体レーザの構造としては、特に制約を設けるものではなく、ＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザ、リングレーザ、その他光周波数を変調することができるレーザであれば、どのような構造であってもよい。一般的に、ＤＦＢレーザを直接変調して、周波数変調信号を生成した場合、周波数変調に伴い、光周波数変調成分と同じ時間波形を有する強度変調成分も重畳されることが多い。光信号源の変調帯域を超えたビットレートに対しても変調動作を行うことはできるが、本実施形態においては、周波数変調成分のみを利用するため、強度変調成分は小さいことがより望ましい。
【００６０】
図１２に、光弁別器から出力される光信号の強度波形を比較するための図を示す。図１２（ａ）の波形は、第１の実施形態における図３（ｃ）と同じである。直接変調方式の半導体レーザ（光信号源１０２）から生成された多値の周波数変調信号が、強度変調成分を含まない場合を示す。図１２（ｂ）は、強度変調成分を含む場合であって、多値の周波数変調信号の強度が、光周波数と同位相で２０％変化する場合を示す。光信号源の変調帯域を超えたビットレートに対しても変調動作を実現できることがわかる。
【００６１】
（光弁別器）
４値またはそれ以上の多値に変換された周波数変調信号を、２値の振幅変調信号に変換する光弁別器について説明する。図１３に、４値の周波数変調信号を２値の振幅変調信号に変換する光弁別器の透過または反射特性を示す。４値またはそれ以上の多値の周波数変調信号を扱う場合には、出力レベルに複数のピークと複数の谷とを含むスペクトルを有するフィルタを用いる。多値の周波数変調信号のうち、例えば、奇数番目の周波数変調信号をピーク（出力レベルはＰ1）に、偶数番目の周波数変調信号を谷（出力レベルはＰ2）に、またはその逆に設定する。これにより、４値の周波数変調信号である光信号は、光弁別器により２値の光信号に変換される。
【００６２】
光弁別器の具体的な構成は、上述したように、キャビティ型または導波路型のフィルタを用いることができる。上述したフィルタの他に、アレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）フィルタを適用することもできる。いずれも、図３（ａ）、図１１（ａ）または図１３に示した透過または反射特性を実現することができれば、どのような構成のフィルタであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる光変調光源の構成を示す図である。
【図２】光変調光源の動作原理を説明するための図である。
【図３】光変調光源の動作原理を説明するための図である。
【図４】実施例１にかかる光弁別器の構成を示す図である。
【図５】光弁別器の配置法を示す図である。
【図６】実施例２にかかる光弁別器の構成を示す図である。
【図７】実施例３にかかる光弁別器の構成を示す図である。
【図８】実施例４にかかる光弁別器の構成を示す図である。
【図９】実施例５にかかる光弁別器の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態にかかる光変調光源の動作原理を説明するための図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態にかかる光変調光源の動作原理を説明するための図である。
【図１２】光弁別器から出力される光信号の強度波形を比較するための図である。
【図１３】４値の周波数変調信号を２値の振幅変調信号に変換する光弁別器の透過または反射特性を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０１  帯域制限フィルタ
１０２  光信号源
１０３  光弁別器
３０１，３０２，３０６，３０７，３０８  誘電体多層膜ミラー
３０３，３０９  高屈折率層
３０４，３１０  低屈折率層
３０５，３１１  スペーサー層
３１２  入力導波路
３１３  出力導波路
３１４  カプラ
３１５  リング導波路
３１６  光ファイバ
３１７  屈折率の周期的摂動
３１８  アーム導波路
４０１  光弁別器
４０２  光弁別器入力
４０３  光弁別器出力
４０４  光サーキュレータ
４０５  ビームスプリッタ
４０６  偏光ビームスプリッタ
４０７  １／４波長板
【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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