(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
符号化された光入力信号に同期した連続光パルス列を出力する光クロック再生装置において、
少なくとも光透過率変調部を有する半導体モード同期レーザーと、
この半導体モード同期レーザーの光出力信号を分岐する光分波器と、
この光分波器によって分岐された一方の光出力信号を増幅する光増幅器と、
この光増幅器で増幅された光信号を電気信号に変換する受光素子と、
この受光素子および前記半導体モード同期レーザーの光透過率変調部と電気的に接続され、中心周波数が前記半導体モード同期レーザーの自励発振周波数と概ね一致する帯域透過フィルタとを有し、
前記半導体モード同期レーザーの前記光出力信号に対応するとともに、前記受光素子で光電変換された電気信号で前記光透過率変調部を駆動することによりフェーズロックループを構成したことを特徴とする光クロック再生装置。
【請求項２】
〔請求項１〕に記載する光クロック再生装置において、
半導体ハイメサ導波路を用いた少なくとも光透過率変調部を有するリング型半導体モード同期レーザー、光分波器としての多モード干渉カプラ、光増幅器としてのＳＯＡ及び受光素子として機能する受光領域をモノリシックに集積化したことを特徴とする光クロック再生装置。
【請求項３】
符号化された光入力信号に同期した連続光パルス列を出力する光クロック再生装置において、
少なくとも光透過率変調部を有する半導体モード同期レーザーと、
この半導体モード同期レーザーの光出力信号を分岐する光分波器と、
この光分波器によって分岐された一方の光出力信号を電気信号に変換する受光素子と、
この受光素子の出力を増幅する電気増幅器と、
この電気増幅器の出力端子および前記半導体モード同期レーザーの光透過率変換部と電気的に接続され、中心周波数が前記半導体モード同期レーザーの自励発振周波数と概ね一致する帯域透過フィルタとを有し、
前記半導体モード同期レーザーの前記光出力信号に対応するとともに、前記受光素子で光電変換された電気信号で前記光透過率変調部を駆動することによりフェーズロックループを構成したことを特徴とする光クロック再生装置。
【請求項４】
符号化された光入力信号に同期した連続光パルス列を出力する光クロック再生装置において、
少なくとも光透過率変調部と光電変換部である受光領域とを有する半導体モード同期レーザーと、
前記受光領域で変換された前記半導体モード同期レーザーの光出力信号に対応する電気信号を増幅する電気増幅器と、
この電気増幅器の出力端子および前記半導体モード同期レーザーの光透過率変調部と電気的に接続され、中心周波数が前記半導体モード同期レーザーの自励発振周波数と概ね一致する帯域透過フィルタとを有し、
前記半導体モード同期レーザーの前記光出力信号に対応するとともに、前記受光領域で光電変換された電気信号で前記光透過率変調部を駆動することによりフェーズロックループを構成したことを特徴とする光クロック再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光クロック再生装置に関し、特に通信技術で汎用的に用いられるクロック再生技術に関連し、入力光信号からクロック信号成分を抽出し、このクロック信号に対応した連続光パルス列を出力する装置として有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信で用いられる再生中継器においては、送られてきた光信号を誤り無く受信し再送するために、符号化された入力信号のクロック周波数を抽出する機能が必要である。図５に、従来の光中継器の構成の一例を示す。同図において、３０は光分波器、３１及び３２は受光素子、３３はクロック抽出回路、３４は連続光の光パルス列発生装置、３５は符号化装置、３６は光増幅器である。光分波器３０で分波された入力光信号は、受光素子３２で電気信号に変換され、光パルス列発生装置３４で発生させた連続光パルス列に対して符号化装置３５を用いて再度符号化が行われ、光増幅器３６で増幅されて再送される。これがいわゆる中継器の３Ｒ機能（re-timing, re-shaping, re-genetating）と呼ばれる動作である。ここで、符号化装置３５により誤り無く符号化が行われるためには、光パルス列発生装置３４で発生した連続光パルス列が受光素子３２で電気変換された入力信号に対し同期している必要があり、そのためには「クロック信号」を光パルス列発生装置３４へ供給する必要がある。これは、光分波器３０で分波されたもう一方の光入力信号を受光素子３１で電気信号に変換し、この電気信号からクロック抽出回路３３で入力信号のクロック周波数を抽出し、かつ位相差を調整して、光パルス列発生装置３４のクロック信号入力端子へ入力することで達成される。
【０００３】
かかる再生中継器においては、近年の通信の大容量化に伴い、高ビットレート化への要求はますます増大して来ており、より高速な信号に対応するためには、前記各要素装置、素子のさらなる高速化が必要であるという課題があった。
【０００４】
また、光通信で用いられる受信、信号分離（ＤＥＭＵＸ）装置においても、送られてきた光信号を誤り無く受信、分離するために、同様に入力信号のクロック周波数を抽出する機能が必要である。図６に、従来の受信器の構成を示す。同図において、４０は光分波器、４１及び４２は受光素子、４３はクロック抽出回路、４４は入力信号をより低いビットレートに落とす、いわゆるＤＥＭＵＸ回路である。ここでは、４対１のＤＥＭＵＸ回路４４を例示している。光分波器４０で分波された入力光信号は、受光素子４２で電気信号に変換され、４４のＤＥＭＵＸ回路でより低いビットレートの信号に分割される。その際、光分波器４０で分波されたもう一方の光入力信号を受光素子４１で電気信号に変換し、クロック抽出回路４３で入力信号のクロック周波数を抽出し、かつ位相差を調整して、ＤＥＭＵＸ回路４４のクロック信号入力端子へ入力する。この様な構成でも、より高速な信号に対応するためには、前記各要素装置、素子のさらなる高速化が必要であるという課題があった。
【０００５】
これらの要素素子、装置は、安定で小型、かつ調整が容易であることが望まれており、従って、工業的にも重要な半導体ベースの素子を用いて構成することが求められている。近年の半導体集積回路技術の進歩により、クロック抽出回路の性能はすでに４０Ｇｂｉｔ／ｓの入力信号に対応可能なレベルにまで達している。
【０００６】
しかしながら、トランジスタの性能向上には物理的限界があり、最先端の技術を以てしても、さらなるクロック抽出回路の高速化を行うのは極めて困難であるという問題があった。
【０００７】
一方、光入力、光出力の構成でクロック再生を行う素子も提案されている。図７は注入同期半導体モード同期レーザーを光クロック再生に用いた例であって、５１は光入力端子を有する半導体モード同期レーザーで、過飽和吸収領域である光透過率変調部５２と利得領域５３とからなる。半導体モード同期レーザー５１は、通常自励的に発振するが、外部から自励発振周波数に近い変調信号を光透過率変調部５２に印加すると、自励発振周波数がその周波数に引き込まれるという特性を有している。
【０００８】
通常、この様な外部変調は、電気信号を光透過率変調部５２に印加して行うが、外部入力光で光透過率変調部５２の光透過率あるいは利得領域における利得を変調することでも同様の効果が得られる（光注入モード同期）。これを利用し、入力光信号を半導体モード同期レーザー５１の片端面から入射して過飽和吸収領域である光透過率変調部５２の光透過率を変調することで光注入モード同期が実現され、入力信号のクロック周波数に同期した連続光パルス列の再生が可能となる。また、信号分離を行う場合においては、分離後の信号速度に対応する低い周波数（ここでは元の信号速度の１／ｎ、ｎは自然数とする）のクロックを生成し信号分離装置に供給する必要があるが、クロック周波数の１／ｎに近い自励発振周波数を有する半導体モード同期レーザー５１を使用すれば、クロック周波数の１／ｎの周波数に同期した連続光パルス列を直接得ることができる。
【０００９】
しかしながら、１／ｎの周波数のクロックを入力信号に同期させる場合においては、クロックから見れば入力信号のどのパルスに同期するかによってｎ通りの位相の取り方が可能であり、同符号連続により入力信号が途切れた場合に位相の飛びが発生することがある。このように位相飛びが起こると、決められたチャンネルの信号分離ができないので、現実的なシステムでは使用できない。
【００１０】
この点を解決する装置として、図８に示すように、２台の半導体モード同期レーザー６１、６３と１台の光ゲート素子６２を用いる装置が提案されている。この装置では、信号周波数に近い自励発振周波数を有する一段目の半導体モード同期レーザー６１で信号周波数に同期したパルス列を発生させ、このパルス列を光ゲート素子６２を介して信号周波数の１／ｎの自励発振周波数を有する二段目の半導体モード同期レーザー６３に注入する。そして、さらに、二段目の半導体モード同期レーザー６３の光出力パルス列を用いて光ゲート素子６２を駆動することによって、位相の飛びを抑えている。また、光ゲート素子６２を駆動するためには光ゲート信号として高出力の光信号が必要であるため、光増幅器６４が必須である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図８に示す構成では、信号周波数に近い自励発振周波数を持つ半導体モード同期レーザー６１と光ゲート素子６２を別途用いる必要があり、装置の簡易化、小型化や、実装コストの面で問題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来技術に鑑み、簡易な構成の高速な光クロック再生装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は、次の点を特徴とする。
【００１４】
１）  符号化された光入力信号に同期した連続光パルス列を出力する光クロック再生装置において、
少なくとも光透過率変調部を有する半導体モード同期レーザーと、
この半導体モード同期レーザーの光出力信号を分岐する光分波器と、
この光分波器によって分岐された一方の光出力信号を増幅する光増幅器と、
この光増幅器で増幅された光信号を電気信号に変換する受光素子と、
この受光素子および前記半導体モード同期レーザーの光透過率変調部と電気的に接続され、中心周波数が前記半導体モード同期レーザーの自励発振周波数と概ね一致する帯域透過フィルタとを有し、
前記半導体モード同期レーザーの前記光出力信号に対応するとともに、前記受光素子で光電変換された電気信号で前記光透過率変調部を駆動すること。
【００１５】
２）  上記１）に記載する光クロック再生装置において、
半導体ハイメサ導波路を用いた少なくとも光透過率変調部を有するリング型半導体モード同期レーザー、光分波器としての多モード干渉カプラ、光増幅器としてのＳＯＡ及び受光素子として機能する受光領域をモノリシックに集積化したこと。
【００１６】
３）  符号化された光入力信号に同期した連続光パルス列を出力する光クロック再生装置において、
少なくとも光透過率変調部を有する半導体モード同期レーザーと、
この半導体モード同期レーザーの光出力信号を分岐する光分波器と、
この光分波器によって分岐された一方の光出力信号を電気信号に変換する受光素子と、
この受光素子の出力を増幅する電気増幅器と、
この電気増幅器の出力端子および前記半導体モード同期レーザーの光透過率変換部と電気的に接続され、中心周波数が前記半導体モード同期レーザーの自励発振周波数と概ね一致する帯域透過フィルタとを有し、
前記半導体モード同期レーザーの前記光出力信号に対応するとともに、前記受光素子で光電変換された電気信号で前記光透過率変調部を駆動することによりフェーズロックループを構成したこと。
【００１７】
４）  符号化された光入力信号に同期した連続光パルス列を出力する光クロック再生装置において、
少なくとも光透過率変調部と光電変換部である受光領域とを有する半導体モード同期レーザーと、
前記受光領域で変換された前記半導体モード同期レーザーの光出力信号に対応する電気信号を増幅する電気増幅器と、
この電気増幅器の出力端子および前記半導体モード同期レーザーの光透過率変調部と電気的に接続され、中心周波数が前記半導体モード同期レーザーの自励発振周波数と概ね一致する帯域透過フィルタとを有し、
前記半導体モード同期レーザーの前記光出力信号に対応するとともに、前記受光領域で光電変換された電気信号で前記光透過率変調部を駆動することによりフェーズロックループを構成したこと。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１９】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係る光クロック再生装置を示すブロック図である。同図において、１はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体モード同期レーザー、２はファイバーアンプで構成した光増幅器、３は受光素子、４は帯域透過フィルタ、５は前記半導体モード同期レーザー１の光透過率変調部であり、電界吸収型変調器であって、半導体モード同期レーザー１の利得領域６とは電気的に分離された電極を有している。ここで、半導体モード同期レーザー１の出力光の一部は光分波器７によって分岐され、前記光増幅器２で増幅された後、前記受光素子３に入力される。本形態では、受光素子として、高速性、高出力性に優れるＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ  ＵＴＣ−ＰＤ（Uni-Traveling-Carrier Photodiode）と呼ばれるフォトダイオード（特開平９−２７５２２４）を用いた。受光素子３の出力電極は、帯域透過フィルタ４を介して光透過率変調部５に電気的に接続されている。半導体モード同期レーザー１の自励発振周波数は、帯域透過フィルタ４の中心周波数と、周波数の引き込みが可能な範囲で概ね一致している。
【００２０】
かかる光クロック再生装置において、入力光信号が半導体モード同期レーザー１に入射されると、光透過率変調部５の透過率あるいは利得領域６の利得が入力光信号に応じて変調される。ここで、半導体モード同期レーザー１の自励発振周波数は入力光信号の繰返し周波数の１／４に概ね一致するように設計されており、注入光モード同期によって入力光信号の繰返し周波数のちょうど１／４の繰返し周波数の光パルス列が出力される。入力光信号が連続したパルス列の場合は言うまでもないが、ランダムなデータによって変調されたリターン・トゥ・ゼロ（ＲＺ）信号の場合にも同様な光注入モード同期が起こり、クロック光パルス再生が達成される。しかし、これだけでは従来の注入同期半導体モード同期レーザーを光クロック再生に用いる構成と変わりなく、入力信号が途切れた場合に位相の飛びが発生する。
【００２１】
そこで、本形態においては、半導体モード同期レーザー１の光出力の一部は光分波器７によって切り出され、光増幅器２で増幅された後、受光素子３で電気信号に変換される。受光素子３の出力電極は帯域透過フィルタ４を介して光透過率変調部５に電気的に接続されている。ここで、帯域透過フィルタ４の中心周波数は、半導体モード同期レーザー１の自励発振周波数と、周波数の引き込みが可能な範囲で概ね一致している。さらに、受光素子３にＵＴＣ−ＰＤを用いることで高出力の電気パルスを発生させることが可能である。電気増幅器を使用しなくても直接光透過率変調部５を駆動することが可能であるため、上記のように、光電変換された光出力信号で半導体モード同期レーザー１の光透過率変調部５を駆動することによって、フェーズロックループが構成される。帯域透過フィルタ４はループにおいて雑音を排し、半導体モード同期レーザー１の自励発振周波数に近い周波数成分だけを選択的にフィードバックするために用いられる。
【００２２】
本形態に係る光クロック再生装置が従来の装置と異なるのは、１／ｎの周波数のクロックを入力信号に同期させる場合において、入力信号が途切れた場合の光出力パルス列の位相の飛びを抑制できる点である。すなわち、上述のようにフェーズロックループを構成することによって、半導体モード同期レーザー１の光出力信号がループ内で積算され、入力変動の影響が大幅に緩和される結果、光出力パルス列の位相飛びが抑制される。さらに、ランダム信号による光注入モード同期の結果発生する強度雑音も、ループ内のフィルタの効果によって大幅に除去することができる。
【００２３】
なお、本形態において、入力光信号に対してフィードバックされた信号の位相を調整するには、光分波器７と受光素子３間の光路長を調整する方法と、受光素子３から光透過率変調部５までの電気線路長を調整する方法とがあり、いずれか、もしくは両方を適宜用いて実現することができる。また、光分波器７と受光素子３間の光路に可変の光遅延線を設けることによって、装置の作製後に位相を調整することが可能となり、設計及び素子作製のマージンを大きく取ることができる。光遅延線の代わりに、受光素子３から光透過率変調器５までの間の電気線路中に位相シフターを設けることによっても同様の効果が得られる。
【００２４】
上記実施の形態を示す図１では、通常用いられる直流バイアス用の容量、インダクタ、抵抗、電極、配線などの部分については、図面が煩雑になるのを避けるために図示していない。また、上記実施の形態では、受光素子３としてフォトダイオードの一種であるＵＴＣ−ＰＤを用いたが、ｐｉｎフォトダイオード、フォトトランジスタ等の他の受光素子を用いる事もできる。フォトダイオードの形態としては、端面入射型のものを用いたが、裏面入射型など他の形態のものを用いることもできる。また、上記実施の形態では、光透過率変調部５として電界吸収型変調器を用いたが、利得領域の一部を電極分離して作製した過飽和吸収領域を用いることもできる。
【００２５】
上記実施の形態では、帯域透過フィルタ４の中心周波数は入力光信号のクロック周波数に対し１／４としたが、他の１以外の自然数であっても良く、各自然数に応じた次数の信号分離機能が実現される。また、光増幅器２はファイバーアンプで好適に構成することができるが、これに限らず半導体光アンプ（ＳＯＡ）等の他の増幅器を用いることもできる。また、分岐した光の導波路としては、光ファイバーで好適に構成することができるが、半導体基板上に半導体やガラス、あるいはポリマーを用いて作製した光導波路で構成することも可能である。さらに、これらを同一基板上にモノリシック、もしくはハイブリッドに実装することも可能である。
【００２６】
＜第２の実施の形態＞
図２は本発明の第２の実施の形態を示す平面図である。同図に示すように、本形態では、半導体基板１０上に半導体ハイメサ導波路１１を用いてリング型半導体モード同期レーザー１２、光分波器１３としての多モード干渉カプラ、光増幅器としてのＳＯＡ１４、受光領域１５をモノリシックに集積化している。
【００２７】
一般に、モード同期レーザーを他の光素子のモノリシックに集積化する場合の共振器の構成としては、リング共振器を用いる方法と、ブラッグ反射鏡を用いる方法があるが、ブラッグ反射鏡を利用した場合には光スペクトルにおける帯域が制限されるため、短パルスを発生するのに不利である。そこで、本実形態では利得領域１６と光透過率変調部１７としての電界吸収型変調器と光合分波器１８としての多モード干渉カプラを半導体ハイメサ導波路で接続したリング型の半導体モード同期レーザー１２を使用した。また、帯域透過フィルタ１９としては半導体基板上での集積化が容易な容量を用いたショートスタブを使用しているが、容量とインダクタで構成されるフィルタや、平面回路で構成されるλ／２側結合型バンドパスフィルタなど公知のフィルタを使用することも可能である。
【００２８】
本形態のように半導体導波路を用いてモノリシックに集積化することにより非常にコンパクトに光クロック再生装置を構成することができる。また、光ファイバーを用いたときのように、構成要素間を光学的に接続する際の位置合わせが不要であるため、実装コストが大幅に低減できるという利点が有る。
【００２９】
なお、上記実施の形態では、受光領域１５としてフォトダイオードの一種であるＵＴＣ−ＰＤを用いたが、ｐｉｎフォトダイオード、フォトトランジスタ等の他の受光領域を用いる事もできる。フォトダイオードの形態としては、導波路型のものに限らず、端面入射型など他の形態のものを用いることもできる。
【００３０】
上記実施の形態の光透過率変調部１７としては、電界吸収型変調器を用いたが、利得領域１６の一部を電極分離して作製した過飽和吸収領域を用いることもできる。また、上記実施の形態では、構成要素を半導体基板上にモノリシック集積したが、平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）基板の上にハイブリッド集積することも可能である。
【００３１】
＜第３の実施の形態＞
図３は本発明の第３の実施の形態を示すブロック図である。図１に示す第１の実施の形態では、光増幅器２で増幅した信号を高出力の受光素子３で光電変換することによって高出力の電気信号を発生していたが、本形態では、図３に示すように、光信号を受光素子３で光電変換した後に、電気増幅器２８を用いて増幅している。ただし、電気信号の周波数は入力信号の周波数に比べ１／ｎであるため、電気回路が高速性を制限しないように適宜設計する。
【００３２】
＜第４の実施の形態＞
図４は本発明の第４の実施の形態を示すブロック図である。同図に示すように、本形態に係る光クロック再生装置が、図３に示す第３の実施の形態に係る光クロック再生装置の構成と異なるのは、第３の実施の形態の受光素子３が、本形態では半導体モード同期レーザー１内に受光領域２９としてモノリシックに集積されている点である。この結果、本形態によれば、第３の実施の形態における光分波器７と、光分波器７と受光素子３とを接続するファイバーあるいは導波路を省略できる。
【００３３】
ここで、受光領域２９は十分な逆バイアスを印加した状態でモード同期レーザーの共振器内を周回する光信号の一部を吸収し、残りを透過するように設計されている。ここでは、受光領域２９として高速性に優れる導波路型のＵＴＣ−ＰＤを用いたが、ｐｉｎフォトダイオード等の他の受光素子を用いる事もできる。また、光透過率変調部５として電界吸収型変調器を用いる場合には、特性はやや劣るが、電界吸収型変調器と同じ層構造で受光領域を構成することもできる。帯域透過フィルタ４の中心周波数は、モード同期レーザー１の自励発振周波数と、周波数の引き込みが可能な範囲で概ね一致している。
【００３４】
なお、本形態において、入力光信号と、光透過率変調部５にフィードバックされた信号の位相の調整は、受光領域２９から光透過率変調部５までの電気線路長を調整することによって実現できる。また、同様のことは、受光領域２９から光透過率変調器５までの間の電気線路中に位相シフターを設けることによっても実現でき、この場合には当該光クロック再生装置の作製後に位相を調整することが可能となり、設計及び素子作製のマージンを大きく取ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに詳細に説明したとおり、本発明によれば、従来のクロック抽出回路を用いない簡易な構成で、入射信号光のクロック周波数に同期した高速の連続光パルス列を再生させる装置を実現できるという効果を奏する。さらに、この装置を用いて、広帯域光通信システムにおいて必要となる、高速で簡易な構成の再生中継器や受信・信号分離装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光クロック再生装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る光クロック再生装置を示す平面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る光クロック再生装置を示すブロック図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る光クロック再生装置を示すブロック図である。
【図５】従来の光信号中継器の構成を示すブロック図である。
【図６】従来の光信号ＤＥＭＵＸ装置の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の光クロック再生装置を示すブロック図である。
【図８】従来の光クロック再生装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  半導体モード同期レーザー
２  光増幅器
３  受光素子
４  帯域透過フィルタ
５  光透過率変調部
６  利得領域
７  光分波器
１０  基板
１１  半導体ハイメサ導波路
１２  リング型半導体モード同期レーザー
１３  光分波器
１４  ＳＯＡ
１５  受光領域
１６  利得領域
１７  光透過率変調部
１８  光合分波器
１９  帯域透過フィルタ
２８  電気増幅器
２９  受光領域
【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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