(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ通信システムであって、
１０Ｇｂ／ｓ以上の高ビット・レート周波数変調信号を生成するように構成されている光信号源と、
前記高ビット・レート周波数変調信号を実質的振幅変調信号に変換するとともに、伝送ファイバにおける分散の少なくとも一部を補償するように構成されている光弁別器とを備え、前記光弁別器が、前記伝送ファイバにおける分散とは逆の符号である所定の分散を有するとともに、実質的に平坦−上面形状で２０ギガヘルツを超える広い帯域幅の送信応答とを有するものである、光ファイバ通信システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記光信号源は、直接変調レーザである、システム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、前記光信号源は、単一波長半導体レーザである、システム。
【請求項４】
請求項３記載のシステムにおいて、前記単一波長半導体レーザは、分布フィード・バック・レーザである、システム。
【請求項５】
請求項４記載のシステムにおいて、前記単一波長半導体レーザは、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）部、利得部、および位相部を含む、システム。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、前記光信号源は、同調可能半導体レーザである、システム。
【請求項７】
請求項６記載のシステムにおいて、前記同調可能半導体レーザは、サンプル格子分布ブラッグ反射（ＳＧＤＢＲ）レーザである、システム。
【請求項８】
光ファイバ通信システムであって、
１０Ｇｂ／ｓ以上の高ビット・レート周波数変調信号を生成するように構成されている光信号源と、
正または負のいずれかの符号を有する関連の分散Ｄｄを有し、前記高ビット・レート周波数変調信号を実質的振幅変調信号に変換する光弁別器であって、実質的に平坦−上面形状で２０ギガヘルツを超える帯域幅の送信応答を有する前記光弁別器と、
正または負のいずれかの符号を有する関連の分散Ｄｆを有する伝送媒体であって、Ｄｄの符号がＤｆの符号とは逆である、伝送媒体と、
を備えた光ファイバ通信システム。
【請求項９】
請求項８記載の光ファイバ通信システムにおいて、前記光弁別器は、周期的フィルタである、光ファイバ通信システム。
【請求項１０】
光ファイバ通信システムであって、
光信号を生成する光信号源と、
関連の分散Ｄｆを有する伝送媒体と、
前記光信号源と前記伝送媒体との間にあり、前記光信号を周波数変調するように構成された周波数変調器と、
前記周波数変調信号を実質的振幅変調信号に変換するように構成され、関連の分散Ｄｄを有する光弁別器であって、前記関連の分散Ｄｄは正または負の符号を有し、前記符号ＤｄはＤｆとは逆の符号であり、実質的に平坦−上面形状で２０ギガヘルツを超える帯域幅の送信応答を有する、光弁別器と、
を備えた、光ファイバ通信システム。
【請求項１１】
光ファイバ通信システムであって、
１０Ｇｂ／ｓ以上の高ビット・レート周波数変調信号を生成する光信号源と、
前記周波数変調信号を実質的振幅変調信号に変換するように構成された第１光弁別器と、
関連の分散Ｄｄを有し、前記実質的振幅変調信号を受信し、伝送媒体における分散Ｄｆの少なくとも一部を補償するように構成されている第２光弁別器であって、ＤｄがＤｆとは逆の符号である、第２光弁別器と、
を備えた光ファイバ通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、部分的に周波数変調した信号を実質的に変調した信号に変換し、伝送ファイバにおける分散を補償する光ファイバ・システム用の光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、（１）２００２年７月７日に出願した米国出願第６０／３９５，１６１号、および（２）２００２年８月６日に出願した米国出願第６０／４０１，４１９号という２件の米国仮出願に基づく優先権を主張する。双方の内容は、ここで引用したことにより、本願にも含まれるものとする。
【０００３】
光ファイバ通信システムは、種々の送信機を用いて、情報の電気ディジタル・ビットを光信号に変換し、これを光ファイバを通じて送る。光ファイバの他方の端部には受信機があり、光信号を電気信号に変換する。送信機は信号を変調して１および０のビットを形成し、情報またはデータが光ファイバを通じて搬送できるようにする。異なる方法で信号を変調する種々の送信機がある。例えば、直接変調送信機および間接変調送信機がある。直接変調送信機は、変調に対して大きな応答を有するコンパクトなシステムを提供し、統合可能である。また、直接変調送信機は、レーザの後に、大抵の場合ＬｉＮｂＯ３である強度変調器を必要とする、外部変調送信機よりも一般に安価でもある。しかしながら、直接変調送信機の欠点の１つに、その出力には非常にチャープが多いことが挙げられる。チャープとは、強度変調信号に関連する、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・パルスは、数十ｋｍの分散光ファイバを伝搬した後には歪んでしまい、システムの電力負担が容認できないレベルにまで上昇する。このため、直接変調レーザ送信機の使用が、２．５Ｇｂ／ｓで数十ｋｍの限られた距離での応用に限定されてきた。これについては、P.J. CorviniおよびT.L. KochがJournal of Lightwave Technology vol.LT-5, no.11, 1591 (1987)に記載している。ビット・レートが更に高い用途では、直接変調送信機の使用は、更に短い距離に制限される可能性がある。
【０００４】
レーザ源の直接変調の代わりに、部分的に周波数変調した信号を生成するレーザ源および光弁別器を用いることがあげられる。これは、R.E. Epworthの英国特許ＧＢ２１０７１４７Ａにおいて論じられている。この技法では、レーザは初期状態において閾値よりも高い電流レベルにバイアスされている。平均電力出力が高いままで止まるように、バイアス電流の部分的振幅変調を適用する。また、部分的振幅変調によって、レーザ出力の周波数において、部分的であるがかなりの変調が得られ、電力振幅の変化と同期する。次いで、この部分的周波数変調出力を、ファブリ・ペロー・フィルタのようなフィルタに印加する。このフィルタは、ある周波数の光のみを通過させるように調整されている。このようにして、部分的周波数変調信号を実質的に振幅変調信号に変換する。即ち、周波数変調を振幅変調に変換する。この変換は、入力信号の消光比を高め、更にチャープを低減させる。
【０００５】
Epworth以来、彼の技術からの多数の変形が、レーザの信号出力からの消光比を高めるために応用されてきた。例えば、N. Henmiは、米国特許第４，８０５，２３５号において自由空間干渉計も用いた、非常に類似したシステムについて記載している。Huberの米国特許第５４１６６２９号、Mahgereftehの米国特許第６１０４８５１号、およびBrennerの米国特許第６１１５４０３号は、同様の構成において、ファイバ・ブラッグ格子弁別器を用いている。更に最近の研究業績において、周波数弁別器を有する周波数変調送信機は、チャープが少ない出力を生成し、このため通信ファイバを通過する際のパルス歪みが低減することも認められている。チャープは、光信号の時間依存周波数変動であり、一般に、信号の光帯域幅をフーリエ変換の限界を超えて増加させる。チャープは、分散ファイバを伝搬した後の光パルス形状を、チャープの符号および正確な特性によっては、改善する場合も、劣化させる場合もあり得る。従来の直接変調レーザ送信機では、チャープは、光ファイバ伝搬中に、激しいパルス歪みの原因となった。これは、分散媒体における光速が周波数に依存するため、パルスの周波数変動に異なる時間遅延が発生する可能性があり、したがってパルスが歪む虞れがあるためである。媒体を通じた伝搬距離が、光ファイバの場合におけるように長いと、パルスは時間と共に分散し、その幅が広がる虞れがある。これには望ましくない影響がある。
【０００６】
前述のシステムでは、弁別器を動作させて入力信号の消光比を高めるか、あるいは信号のある成分を他の成分のために除去している。したがって、弁別器の振幅変動のみを利用していたことになる。加えて、これらのシステムは、主に、ビット・レートが更に低い用途を扱っていた。低ビット・レートでは、その閾値よりも高くバイアスされた変調レーザのスペクトルは、２つのキャリアを含み、各々、レーザを変調するために用いられるディジタル信号を搬送する。２つのピークの波長は、レーザおよびバイアスに応じて、１０ＧＨｚから２０ＧＨｚ分離している。したがって、種々の光弁別器、ファブリ・ペロー、マッハ・ゼンダーなどを用いれば、２つのピークを解明することができ、一般に０ビットを破棄し、１ビットを保持することにより、出力における消光比を高めることができる。
【０００７】
ファブリ・ペロー・フィルタは、２つの部分的に反射する鏡面によって形成され、これらの鏡面は、数マイクロメートル程度の小さなギャップによって分離されている。キャビティは、エア・ギャップあるいは堆積または切削および研磨方法によって形成された固体材料である。ファブリ・ペロー・フィルタの透過(transmission)は、いわゆる自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）によって分離された光周波数における周期的ピークから成り、自由スペクトル範囲は、ギャップの厚さに反比例する。ピークの急峻さは、２つのミラーの反射率によって決定される。しかしながら、透過縁端が急峻である程、フィルタの通過帯域は狭くなる。したがって、ファブリ・ペロー・フィルタでは、急峻な透過縁端即ち傾きを得られるが、１０Ｇｂ／ｓのような高ビット・レート用途には十分に広い帯域幅は得られない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ビット・レートが高くなる程、周波数変調信号のスペクトルは更に複雑化し、用いることができる弁別器の選択は限られる。１０Ｇｂ／ｓ付近の高ビット・レートでは、情報帯域幅は、レーザの周波数変移(frequency excursion)に比肩し得るようになる。これは、通例１０ＧＨｚから１５ＧＨｚの間である。加えて、１と０との間の遷移において発生する過渡チャープが広がり、スペクトルを更に複雑にする。消光比を１０ｄＢにして１ビットおよび０ビットを分離するためには、弁別器の傾きは、１０Ｇｂ／ｓの情報を通過させつつ、１ｄＢ／ＧＨｚよりも大きくすべきである。これらの性能基準の下では、ファブリ・ペロー・フィルタは機能しない場合がある。何故なら、ファブリ・ペロー・フィルタの帯域幅および傾き特性は、透過縁端が急峻である程、フィルタの通過帯域幅が狭くなるというようなものであるからである。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、１ｄＢ／ＧＨｚの傾きを有するファブリ・ペロー弁別器は、約３ＧＨｚの帯域幅を有するに過ぎない場合もある。このように制限された帯域幅では、１０Ｇｂ／ｓ信号を激しく歪ませるため、ファブリ・ペロー・フィルタを備えたＦＭ変調送信機がこのビット・レートでは機能しない場合も考えられる。他の者は、高ビット・レート用途にファイバ・ブラッグ格子を試したが、これらは、温度に感応し、別個のパッケージで温度を安定させる必要がある。したがって、温度変化には感応せずに、高ビット・レートでＦＭ変調源と共に動作することができる弁別器が今もなお必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、高ビット・レートにおいて周波数変調（ＦＭ）源と共に動作することができ、送信フィルタにおける分散と逆符号の分散を有し、ファイバにおける分散の少なくともある部分を中和することができる光弁別器を提供する。ファイバにおける分散とは逆符号である分散を弁別器が与えることによって、ファイバにおける分散による信号劣化を最小限に抑える。また、本発明は、変調レーザ源およびファイバの分散を補償し、部分的に周波数変調した信号を実質的に振幅変調した信号に変換する弁別システムも提供する。弁別器がファイバ内における分散を相殺することによって、より長い到達距離の用途のために、レーザ源を直接変調することができる。
【００１０】
弁別器は、結合マルチキャビティ（ＣＭＣ）フィルタのような、部分的周波数変調信号を実質的振幅変調信号に変換する忠実度を高め、光信号が歪むことなくより長い距離を伝搬できるように、ファイバにおける分散とは逆符号である増補分散を導入する、種々のフィルタとすることができる。また、本発明は、光学フィルタに連通可能に結合されている変調レーザ源も提供することができる。フィルタは、レーザ源の波長をロックするように構成されており、更に部分的周波数変調レーザ信号を実質的振幅変調信号に変換する。
【００１１】
ここに記載する実施形態を参考にすれば、分散補償光フィルタの方法、システム、および装置の多くの変更、変形、組み合わせが可能である。以上の記載ならびに本発明の多くのその他の特徴および付随する利点は、添付図面と関連付けて、以下の詳細な説明を検討することによって明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明による実施形態に関する詳細な説明は、添付図面を参照しながら行う。
本発明は、レーザ源を直接変調することができ、更にファイバ内の分散を部分的に補償することができ、システムを一層高速なビット・レートおよび到達距離が更に長い用途にも適用可能にするレーザ送信システムを提供する。これは、周波数変調（ＦＭ）を振幅変調（ＡＭ）に変換する弁別器を設けることによって達成することができ、レーザ源を直接変調できるように、光ファイバにおける分散を補償することができる。結合マルチキャビティ（ＣＭＣ）フィルタのような、種々の弁別器を用いて、ＦＭ／ＡＭアクションの忠実度を高め、更に、分散補償を強化することができる。ＦＭ対ＡＭ変調と分散補償特性を同時に最適化することによって、レーザ源を直接変調する性能を最適化することができる。
【００１３】
図２は、レーザ源１０４を変調する電流変調器１０２を含む光ファイバ・システム１００を示す。電流変調器１０２は、レーザ源１０４を直接変調することができる。これに関して、２００１年１２月１８日に発行されたDaniel Mahgereftechによる米国特許第６，３３１，９９１を引用し、本願にも含まれるものとする。レーザ源１０４は、半導体レーザのように、種々の異なる種類のレーザとすることができる。レーザに閾値よりも高いバイアスをかけることができ、変調のレベルは、約２ｄＢから約７ｄＢというような所定の消光比を得ることができる。レーザからの信号は、次に、ps/nmで分散Ddiscriminatorを有する光弁別器１０６を通過することができ、レーザからの信号は、その透過縁端の１つを通過することができる。光弁別器１０６は、部分的に周波数変調（ＦＭ）した信号を、実質的に振幅変調（ＡＭ）した信号に変換することができる。この例では、光弁別器１０６は、結合マルチキャビティ（ＣＭＣ）フィルタとすればよく、ＦＭ／ＡＭ変換の忠実度を高め、分散補償の強化を導入して、適用する到達距離の延長を達成することができる。光弁別器１０６から得られた信号は、正味の分散がps/nm単位でDfiberであるファイバ１０８を通じて送信する。弁別器は、ファイバにおける分散とは逆の符号である所定の分散を有し、例えば、符号（Ddiscriminator）＝−符号（Dfiber)であり、ファイバに対する分散の影響を最少に抑えられるようにすることができる。このように、光信号は、ファイバにおける分散によって信号を歪ませることなく、更に遠くまで伝達することができる。次いで、受信機１１０は、ファイバ１０８を通じて送られてきた信号を検出する。光ファイバ・システム１００がこのように動作する場合、周波数弁別器１０６は、ＦＭ／ＡＭ変換における着信レーザ出力の変調深度を増大し、スペクトルの一部を除去し、ファイバにおける分散を部分的に補償することによってチャープを低減する。
【００１４】
弁別器１０６は、入来する電界の位相およびその振幅を変更することができる。群速度分散は、次の式で定義することができる。
【００１５】
【数１】
0004764633.tif 000002
【００１６】
ここで、Ddiscriminatorは、図３Ａから図３Ｄに示すように、フィルタ形状および周波数に応じて正または負になり得る、ps/nmの単位で表される。式（１）において、φは位相、ωは周波数、ｃは光速、そしてλは波長である。Ｄ＞０では、波の波長成分が短い程、長い成分よりも速く進み、Ｄ＜０では、逆が成り立つ。弁別器１０６は、バンドパス・フィルタの透過縁端を用いることによって形成してもよい。図３Ａは、低周波数側に正の傾き１１２を有し、高周波数側に負の傾き１１４を有する２つの透過縁端を示す。図３Ｂは、分散Ｄ１１６の符号が、相対周波数の関数とすることができることを示し、異なる特徴は、正の傾き側１１２および負の傾き側１１４において、それぞれ、フィルタ透過縁端１１８および１２０の付近にゼロを有することである。また、分散Ｄ１１６は、低周波数側１２２の通過帯では実質的に正であり、高周波数側１２４の通過帯では実質的に負である。
【００１７】
図４は、レーザ源１０４からのレーザであるが、弁別器１０６の前における出力パワー１２６および周波数変移１２８を示す。レーザを弁別器１０６に通過させた後、信号１３０の出力消光比は、弁別器１０６の正の傾き部分１１２または負の傾き部分１１４のいずれについても１０ｄＢよりも大きい。しかしながら、出力の極性は、用いる弁別器の傾きの符号に左右される。正の傾き部分１１２では、極性は、レーザ源１０４からの出力と同一であるが、負の傾き部分１１４では、極性は逆である。したがって、弁別器１０６の負の傾き部分１１４は、正味の正の分散を有するフィルタにおける分散を少なくとも部分的に補償するために利用することができる。弁別器１０６の負の傾き部分１１４をフィルタとして用いる結果、ファイバにおける正の分散効果の少なくともある部分を中和することができるので、ファイバを通過する信号は歪むことなく、一層長い距離を伝わることができる。例えば、図３Ａおよび図３Ｂは、この構成における弁別器に対する光信号１３４のスペクトル位置を示す。光信号１３４の透過部分１３６には負の分散１２４が生じており、したがって受信機においていわゆるファイバ分散損失、およびビット誤り率を低下させる。即ち、透過部分１３６では光スペクトル幅に沿って、弁別器における分散は、ファイバ内の分散と比較すると、逆の符号を有する。図３Ｃおよび図３Ｄは、フィルタに対する変調レーザ信号の弁別器応答およびスペクトル位置を示し、ここで、非反転出力は、弁別器１０６からの正の傾き部分１１２から得られた。信号１４０の透過部分１３８は、正の分散１２３を受け、これによって、負の分散を有するファイバを少なくとも部分的に補償する。
【００１８】
図５は、図２および図３において論じた透過モードの代わりに、反射モードで用いることができる弁別器１０６を示す。図６Ａおよび図６Ｂは、弁別器の反射モードにおける負の傾き１４２上の光信号１４１を示す。この構成では、図４からの出力１３２は、弁別器１０６の前において、入力に対して反転させることができる。図６Ｂに示すように、反射モードの弁別器に対する入力信号のスペクトル位置は、透過モードにおけるよりも大きな負の分散を受ける可能性がある。したがって、反射モードは、透過モードにおけるよりも、大きな分散の補償を行うことができる。
【００１９】
図６Ｃおよび図６Ｄは、弁別器の反射モードの正の傾き１４４における光信号１４３を示す。ここでは、弁別器後の出力１３０（図４）は、入力に対して反転されていない。弁別器に対する信号のスペクトル位置は、反射部分に、透過モードよりも、大きな正の分散が生ずることができるようになっている。反射モードでは、弁別器は、正味の負の分散を有する伝送ファイバにおける分散を少なくとも部分的に補償することができる。
【００２０】
弁別器として用いることができるフィルタは、様々である。例えば、弁別器１０６は、温度変化に対する感度が最低で、高いビット・レートでＦＭ変調源と共に動作可能な薄膜弁別器とすることができる。図７Ａは、光システム１００において弁別器１０６として用いることができる結合マルチキャビティ（ＣＭＣ）フィルタ１４５を示す。図７Ｂは、ファブリ・ペローを形成する、単一のキャビティ・フィルタの構造を示す。ＣＭＣは、屈折率ｎＨおよびｎＬを有し、ｎＨ＞ｎＬである、Ｔａ２Ｏ５およびＳｉＯ２のような２つの材料の複数の薄い層を堆積することによって形成することができる。光がこのような構造に衝突すると、部分的に界面から反射する。これら部分的反射間の干渉によって、所望の周波数依存透過が得られる。ＣＭＣは、２つの多層ミラー間のスペーサ層によって形成された複数のキャビティ１４７で作ることができる。各ミラーは、１／４波スタック（ＱＷＳ）、高屈折率材料および低屈折率材料の交互層によって形成することができ、層の光学的厚さ１４９は、当該材料における設計波長に等しいか、その約１／４である。キャビティ１４７は、高屈折率または低屈折率材料のいずれでもよく、１／２波長の整数倍に等しい厚さとすることができる。
【００２１】
ＣＭＣ内にあるキャビティが１つであると、図７Ｂに示したようなファブリ・ペロー・フィルタ１５１と同じフィルタ応答を有することができ、約１００ｎｍ程度の大きな自由スペクトル範囲を有することができる。ＣＭＣ内に多数のキャビティがある場合、透過縁端が一層急峻となるが、帯域幅は増大し、図３Ａから図３Ｄに示したような、鋭い傾きを有する平坦−上面形状を形成する。その結果、ＣＭＣは、図１に示すファブリ・ペロー・デバイスと比較して、高ビット・レートの用途では、より鋭い縁(skirt)および広い帯域幅を有する。ＣＭＣにおけるキャビティの数は、鋭い傾きおよび信号通過帯に対する高い分散の補償の所望の組み合わせを得るように、用途に応じて調節することができる。層の厚さ、およびキャビティに対する材料の選択も、設計を最適化するために変更することができる。ＣＭＣの温度感度は、キャビティ材料および基板の選択によって調節することができる。キャビティに熱膨張係数（ＴＥＣ）が低い材料を選択すると、温度感度を低くしたＣＭＣが得られ、一方ＴＥＣが高い材料を選択すると、ＣＭＣの温度に対する感度を高めることができる。
【００２２】
図８は、光システム１００を示し、ここでは、弁別器１０６は、等間隔の多数の波長において、伝送ファイバ１０８の分散とは逆符号である分散Ddiscriminatorを有するマルチキャビティ・エタロン（ＭＣＥ）弁別器とすることができる。ＭＣＥ弁別器は、格子に１００ＧＨｚ分離した波長を割り当てる、遠隔通信において用いられる波長チャネルに適用可能である。他の波長間隔には、Δυ＝２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、および２００ＧＨｚが含まれる。この用途においてＣＭＣの自由スペクトル範囲を縮小するには、ミラー間のスペーサ層をＬ＝ｃ／２ｎΔυに増加させればよい。これは、ｎ＝１．５に対する長さＬ＝１〜４ｍｍに対応する。薄膜の堆積を用いる代わりに、各々１から４ｍｍ程度の厚さを有するスタック状ファブリ・ペロー・エタロンを用いると、約１００ＧＨｚの狭い自由スペクトル範囲を得ることができる。スタック内のエタロンの数を増加させると、透過の鋭さを増すことができ、帯域幅は多少増大することができ、ＭＣＥ弁別器を高ビット・レートの用途に適用可能となる。図９に示すように、伝送１４８および分散１５０は周期的にすることもできる。ＣＭＣ弁別器と同様、ＭＣＥ弁別器も、図３Ａから図３Ｄにおいて論じたような、透過縁端または反射縁端において動作することができる。
【００２３】
図１０は、弁別器を用いてレーザ・ダイオードの波長を同時にロックすることができる、波長ロック・システム２００を示す。レーザ２０２および弁別器２０４は、それぞれ、別個の熱電冷却器（ＴＥＣ）２０６および２０８上に取り付けることができる。フォトダイオード２１０が、レーザ２０２の背面ファセットにおいて光パワーを監視することができ、フォトダイオード２１２が、弁別器２０４から反射する光パワーを監視することができる。波長ロック・システム２００は、波長ロック回路２１４も含むことができる。波長ロック回路２１４は、ディバイダ２１８に連通状態で結合され、２つのフォトダイオード２１０および２１２からの信号の比率を比較する比較器２１６を有する。ディバイダ２１８は、ファイバPDfilter２１２における分散のレーザPDlaser２１０における分散に対する比率を比較することができる。ここで、比率ｒ＝Preflected/PLaserであり、実質的に固定した設定値としてもよい。このようにして生成した誤差信号は、レーザ温度を調節し、したがってｒを実質的に一定に保持するためにレーザ波長をずらすようにレーザＴＥＣ２０６を制御することができる。波長のドリフトを避けるために、弁別器２０４の温度は、熱電冷却器２０８、および対応する温度センサ２２０によって、実質的に一定に保持することができる。
【００２４】
図１１は、フォトダイオード２１２を弁別器２０４の透過側で動作させることにより、レーザ波長を弁別器の縁端にロックすることができる別の波長ロック・システム２３０を示す。つまり、回路２１４は、ここでは、弁別器２０４の透過側で検出器２１２を用いて、弁別器２０４を透過した光パワー即ち信号の部分を測定することができる。回路２１４内のディバイダ２１８は、ファイバPDtransmissive２１２における分散のレーザPDlaser２１０における分散に対する比率を比較し、比率ｒ＝Ptransmissive/PLaserを実質的に固定の設定値に保持することができる。
【００２５】
所望の符号の分散を有する種々の光弁別器を、種々のフィルタを用いて形成することができる。種々のフィルタには、透過または反射ファイバ・ブラッグ格子フィルタ、透過または反射マルチキャビティ薄膜フィルタ、アレイ状導波路格子が含まれる。ブラッグ格子を形成するには、ファイバまたは平面導波路のような、材料における屈折率の周期的空間変調を行う。屈折率の周期は、λ／２ｎ程度とするとよく、ここでλは光の波長、ｎは導波路の平均屈折率である。図１２は、望ましいフィルタ特性を得るための、第１ＣＭＣ３００および第２ＣＭＣ３０２のような複数の非干渉ＣＭＣの縦続接続を示す。このような縦続フィルタの伝達関数Ｈ（Ω）は、周波数Ωの関数として表すことができ、個々のフィルタの伝達関数の積である。そして、縦続フィルタの分散は、個々のフィルタの分散の和である。したがって、縦続フィルタの分散の和は、動作波長において伝送ファイバの分散とは逆の符号を有するように、予め決めておくかまたは設計することができる。
【００２６】
ファイバにおける分散とは逆である所望の分散を得る縦続フィルタは、所望の特性を有する弁別器の設計における自由度を提供することができる。例えば、鋭い傾きのフィルタは、入射ビームの構成空間ウェーブレットがほぼ同じ角度で入射するように、拡大光ビームを必要とする場合がある。ガウシアンのような有限空間プロファイルを有する典型的なレーザ・ビームは、角度分布を有する波数ベクトルの分布を有する平面波を含む。この角度分布は、ビームの空間フーリエ変換によって決定することができる。入射角度の関数として多少変化するフィルタの特性では、空間的な広がりが有限であるビームの鋭いスペクトル構造を有するフィルタの透過によって、理想的な場合に対して広がる可能性がある応答を生成する場合がある。この望ましくない広がりは、より小さい傾きのフィルタを縦続接続して鋭い傾きを有する所望のフィルタ関数を生成することによって、排除することができる。
【００２７】
図１３は、光弁別を行うための、第１および第２フィルタ３０４および３０６のような複数の縦続透過フィルタ、ならびに分散補償のためのジール・トゥルノア(Gire-Tournois)干渉計１０６のような、別個の反射型デバイスを示す。縦続透過フィルタは、それらの振幅応答に対して最適化することができ、反射フィルタは、分散補償に対して最適化することができる。光弁別器は、マルチキャビティ薄膜フィルタとしてもよく、その場合、温度変化は光スペクトルを実質的に変化させない。マルチキャビティ薄膜フィルタを用いると、フィルタの温度安定化を不要にすることができる。
【００２８】
光送信機は、それらの光波形の出力における劣化を極力抑えるためには、０から８０℃というように、ある温度範囲内で動作しなければならない場合もある。半導体分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザの波長は、温度上昇と共に急速に、通例約０．１ｎｍ／Ｃでｄλ／ｄＴの比率で変化する可能性がある。先に図３Ａから図３Ｄならびに図６Ａおよび図６Ｄで論じたように、動作点は、温度の関数として実質的に固定したままでなければならない。動作点は、弁別器のピーク透過に対する弁別器上に入射する周波数変調信号１３６、１３８、１４１、または１４４のスペクトル位置である。例えば、最適点は、信号のスペクトル位置である場合もあり、この場合弁別器を通過した後に３ｄＢの損失が生ずる。図１０および図１１に示したロック回路は、回路およびＴＥＣの追加によって、この目的を実質的に達成する。低コストの用途では、ＤＦＢレーザに関連する熱電冷却器を除くこともできる。このような場合、マルチキャビティ薄膜フィルタまたはその他の弁別器は、ＤＦＢレーザと同じ熱ドリフト係数ｄλ／ｄＴを有するように、予め決定することができる。これによって、ＴＥＣおよび対応する制御回路の必要性をなくし、レーザ波長を、フィルタの透過縁端に対して実質的に固定して保持することが可能となる。
【００２９】
本発明は、種々のレーザ源とでも用いることができる。図１４は、ＦＭ変調信号を生成することができるＦＭ変調源４００を示す。ＦＭ変調源４００は、種々の異なる種類のレーザとすることができ、（１）単一波長半導体レーザ、（２）外部変調、および（３）同調可能半導体レーザ等がある。ＤＦＢ端面発光および垂直キャビティ型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のように、単一波長レーザには数種類がある。ＶＣＳＥＬおよびＤＦＢは、直接変調して、周波数変調された信号を生成することができる。ＶＣＳＥＬは、２つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラーで構成することができ、各々、高屈折率材料および低屈折率材料の交互層のスタックで形成され、成長面に対して垂直な高反射率ミラーを形成する。利得媒体を２つのこのようなＤＢＲミラー間に挟持することができる。図１５は、ドライバ５００およびｄｃバイアス源５０２からの変調信号を合成して和Ｉｂ＋Ｉｍｏｄ信号５０６を得るコンバイナ５０４を示す。信号５０６は、ＶＣＳＥＬ５０８を直接変調するために用いられる。和信号即ち電流５０６は、レーザを閾値よりも高くバイアスし、その利得を変調するために供給され、したがって、出力の周波数を変調して、部分的周波数変調信号を生成する。
【００３０】
図１６は、連続波（ＣＷ）源６００からの光信号には、これを光弁別器６０２によってフィルタ処理する前に、外部的に位相変調を行うようにできることを示している。ＣＷレーザ６００からの出力は、光弁別器６０２の後にある位相変調器６０４に入射することができる。外部ドライバ６０６からの電気信号が、変調器６０４を駆動することができ、レーザ後のＣＷ信号に位相ずれを付与することができる。すると、光弁別器６０２は、ＦＭ変調をＡＭ変調に変換し、同時に、部分的な分散補償を行うことができ、ファイバ６０８を伝搬した後、受信機６１０が検出する。光弁別器６０２は、伝送ファイバ６０８の逆の符号の分散を有するように選択するとよい。種々の異なる種類の外部位相変調器６０６を用いることができ、半導体変調器、ＬｉＮｂＯ３位相変調器、または半導体光増幅器（ＳＯＡ）等がある。ＳＯＡは、通常利得を与えるために用いられる。これは、高電流でバイアスされ、損失よりも遥かに多い利得を有する。ＳＯＡへのフィードバック経路を除去するように注意しなければならない場合もある。さもないと、これはレーザとなる可能性がある。
【００３１】
図１７は、ＣＷレーザ７００の後にＳＯＡ７０２を配すると、利得および周波数変調が得られることを示す。コンバイナ７０４は、電流変調器７０６からの変調電流信号Ｉｍｏｄと、バイアス電流Ｉｂ７０８とを合成して、和信号Ｉｂ＋Ｉｍｏｄ７１０を得ることができる。この信号は、ＳＯＡ７０２の利得および屈折率を変調する。屈折率の変化は、対応する位相変化を入射光に発生させることができ、信号をデータでエンコードするために用いることができる。光弁別器は、前述のように、位相変調を振幅変調に変換することができる。弁別器は、動作波長におけるファイバの分散の逆である分散を有するように適合化させることができる。
【００３２】
図１８は、ＦＭ変調信号も生成するための同調可能レーザ源の使用を示す。ＦＭ変調信号を生成するレーザ源は、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）レーザとすればよく、ブラッグ格子は利得部とは別個にするとよい。背景として、ＤＦＢレーザは、レーザ構造全体をブラッグ格子で形成することができる。ＤＢＲレーザは、一般に、（１）利得部、（２）分布ブラッグ反射部、および（３）位相部の３つの部分を有する。これら別個の部分は、電気的に分離され、異なる電流でバイアスするとよい。図１８に示すように、利得部への電流を変調して、振幅および周波数変調信号を生成することができる。ドライバ８００によって生成した変調信号Ｉｍｏｄは、バイアス−Ｔまたはその他のコンバイナ８０４を用いて、第２源からのｄｃバイアス電流Ｉｂと合成することができる。和電流Ｉｂ＋Ｉｍｏｄ８０６は、ＤＦＢについて前述したように、レーザを閾値よりも高く変調するために用いることができる。ＤＢＲ部への電流は、中心波長を調整するために用いることができ、位相部は、デバイスのモード・ホッピングを防止するために用いることができる。これは、ＣＷの場合で論じたのと同様である。
【００３３】
図１９は、レーザの出力における波長を制御するＤＢＲ部の電流を変調することによって、ＤＢＲレーザを周波数変調できることを示す。コンバイナ９０４を用いて、ドライバ９００からの変調信号を、電源９０２からのｄｃ電流と合成し、ＤＢＲ部を駆動することができる。ｄｃ成分９０２は、動作の中心波長を制御することができ、変調電流は、所望の周波数変調を生成することができる。そして、ｄｃ電流源９０６を用いて利得部をバイアスすることができる。次いで、レーザからの出力は、光弁別器を通過して、コントラスト比が高い低チップ・パルスを生成することができる。
【００３４】
図２０は、サンプル格子分布ブラッグ反射レーザ（ＳＧＤＢＲ：sampled grating distributed Bragg reflector）１０００とすることができる、レーザ源を示す。ＳＧＤＢＲレーザ１０００は、４つの部分、（１）後部におけるサンプル格子、（２）位相部、（３）利得部、および（４）前部におけるサンプル格子を有することができる。利得部および位相部の機能は、前述のＤＢＲレーザと同様である。しかしながら、ＳＧＤＢＲでは、レーザ動作波長は、前部および後部の分布反射器双方によって決定することができる。サンプル格子は、ある周期性を有する格子であり、周期的な反射係数を与えるために、その屈折率変化を空間的に変調させることができる。
【００３５】
ＦＭ変調信号は、種々の方法で生成することができる。例えば、ＦＭ変調信号は、図２０におけるように、レーザの利得部を直接変調することによって生成することができる。このような場合、コンバイナ１００６を用いて、ドライバ１００２からの変調信号Ｉｍｏｄを、ｄｃ電流源１００４からのｄｃバイアスＩｂと合成することができ、得られた和電流Ｉｂ＋Ｉｍｏｄを用いて利得部を変調することができる。これによって、ＦＭ変調信号を生成し、前述のように光弁別器に入力することができる。
【００３６】
図２１は、ｄｃ電流源１２００を用いて利得部をバイアスできることを示す。前部サンプル格子部に変調電流を供給し、ＦＭ変調信号を生成することができる。コンバイナ１２０６を用いて、変調器１２０２からの信号をｄｃ電源１２０４からのｄｃ電流と合成し、和電流をサンプル格子部に供給することができる。ｄｃバイアス電流は、後部反射器に供給される電流と共に、出力信号の中心波長を決定することができる。変調信号は、光弁別器に供給する必要があるＦＭ信号を生成する。更に、図２２に示すように、ＦＭ変調信号も、後部ミラーに同様に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】図１Ａは、弁別器の傾きが約１ｄＢ／ＧＨｚのファブリ・ペロー・フィルタの送信および分散のグラフを示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａのファブリ・ペロー・フィルタの帯域幅を示す。
【図２】図２は、直接ＦＭ変調レーザ、およびファイバの分散を少なくとも部分的に補償する透過型光弁別器を含む、光ファイバ・システムを示す。
【図３Ａ】図３Ａは、結合マルチキャビティ（ＣＭＣ）フィルタの負透過縁端上の光信号を、光周波数に対して示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３ＡにおけるＣＭＣフィルタの対応する分散を、光周波数に対して示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３ＡによるＣＭＣフィルタの正透過縁端上の光信号を示す。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３ＡにおけるＣＭＣフィルタの対応する分散を、光周波数に対して示す。
【図４】図４は、正または負の傾きを有するフィルタの後における送信機、周波数変移、および出力の出力波形を示す。
【図５】図５は、直接ＦＭ変調レーザ、およびファイバにおける分散を部分的に補償もする反射型光弁別器を含む光ファイバ・システムを示す。
【図６Ａ】図６Ａは、ＣＭＣフィルタの反射側の負の傾きにおける光信号を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６ＡにおけるＣＭＣフィルタの対応する分散を、光周波数に対して示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、ＣＭＣフィルタの反射側の正の傾きにおける光信号を示す。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図６ＣにおけるＣＭＣフィルタの対応する分散を、光周波数に対して示す。
【図７Ａ】図７Ａは、ＣＭＣフィルタの構造を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、ファブリ・ペロー・フィルタの構造を示す。
【図８】図８は、直接ＦＭ変調レーザと、等間隔の多数の波長において、伝送ファイバとは逆の分散符号を有するマルチキャビティ・エタロン・フィルタとを含む光ファイバ・システムを示す。
【図９】図９は、マルチキャビティ・エタロン・フィルタの透過および分散を示す。
【図１０】図１０は、レーザ波長を透過型光弁別器の縁端にロックする回路を含むレーザ光システムを示す。
【図１１】図１１は、レーザ波長を反射型光弁別器の縁端にロックする回路を含むレーザ光システムを示す。
【図１２】図１２は、直接ＦＭ変調レーザと、透過フィルタの分散と逆の符号を有する全分散を有する透過型光弁別器の縦続接続とを含む、光ファイバ・システムを示す。
【図１３】図１３は、直接ＦＭ変調レーザと、透過フィルタの分散と逆の符号を有する全分散を有する反射型光弁別器の縦続接続とを含む、光ファイバ・システムを示す。
【図１４】図１４は、ＦＭ変調源と、透過フィルタの分散とは逆の符号を有する全分散を有する光弁別器とを含む、光ファイバ・システムを示す。
【図１５】図１５は、垂直キャビティ型面発光レーザ源を含む光ファイバ・システムと、周波数変調方法とを示す。
【図１６】図１６は、連続波（ＣＷ）レーザと、外部周波数変調器と、透過フィルタの分散とは逆の符号を有する全分散を有する光弁別器とを有する光ファイバ・システムを示す。
【図１７】図１７は、ＣＷレーザと、半導体光増幅器位相変調器と、透過フィルタの分散とは逆の符号を有する全分散を有する光弁別器とを含む光ファイバ・システムを示す。
【図１８】図１８は、分散ブラッグ反射（ＤＢＲ）レーザと、周波数変調のための利得部の変調とを示す。
【図１９】図１９は、ＤＢＲレーザと、周波数変調のためのＤＢＲ部の変調とを示す。
【図２０】図２０は、サンプリングした格子分散ブラッグ反射レーザ（ＳＧＤＢＲ）と、周波数変調のための利得部の変調とを示す。
【図２１】図２１は、ＳＧＤＢＲと、周波数変調のための前部ＤＢＲ部の変調とを示す。
【図２２】図２２は、ＳＧＤＢＲと、周波数変調のための後部ＤＢＲ部の変調とを示す。
【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３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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