JP2000501233A - 光送信用デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光送信機(1)は、直接変調型の半導体レーザ(2)と、レーザの出力と直列に接続された非線形光強度変調器(3)とを含んでいる。高周波アナログ変調信号は、レーザおよび変調器の両方に供給される。変調器は、レーザからの出力における相互変調ひずみを消去して、改良されたダイナミックレンジを有するソースに提供するような伝送特性を有している。この送信機は、セルラー無線用のアナログ光分配システムで使用するのに適している。

Description

【発明の詳細な説明】 光送信用デバイス 本発明は、光送信機に関し、特にＲＦまたはマイクロ波周波数で変調されたア ナログ光信号の送信および分配に使用するのに適した送信機に関する。光ファイ バに関連した低損失性およびＥＭＩ不感性は、例えばセルラー無線システムにお ける遠隔地送信機位置に対する信号の分配におけるそれらの使用を魅力的なもの にする。これまで、このような光ファイバリンクで使用されてきた光送信機は、 直接変調型レーザーダイオードの形態を取るか、或はマッハ・ツェンダー強度変 調器または電子吸収型変調器のような分離した電気・光学的変調器と結合された 連続波レーザを含んでいるかのいずれかであった。しかしながら、このような光 送信機のダイナミックレンジは、セルラーベースステーションにおいて通常使用 される電子装置のものより著しく劣っている。このために、光アナログリンクの 使用が制限されている。 受取られた所定の光パワーに対して、アナログ光ファイバリンクのダイナミッ クレンジは、主として光送信機の電気・光学変換特性の直線性によって制限され る。システムの全体のダイナミックレンジを増加するために電気的な予備ひずみ または光学的なフィードフォワード線形化のような方式を使用することが以前か ら提案されている。しかしながら、本質的なソースの線形特性を改良することが 望ましい。マッハツェンダー変調器が後段に配置された連続波レーザを使用した ソースの環境において、線形特性を改良するために縦続接続された２個の変調器 を使用することが提案されている［Betts.G.E.IEEE Trans.Microwave Theory&Te chniques,vol 42 no.12 pp 2642-2649］。両変調器にＲＦ駆動信号を予め定めら れた比率で供給することによって、第２の変調器は第１のもののひずみを補正す る。 本発明の第１の特徴によると、 （ａ）高周波アナログ電気変調信号用の入力を含んでいる直接変調型半導体レ ーザと、 （ｂ）レーザの光出力と直列に接続され、レーザに供給される信号に対応した 高周波アナログ電気変調信号用の入力を備えており、レーザによって出力された 光信号中の相互変調ひずみを少なくとも部分的に消去するように構成された伝達 特性を有している非線形光強度変調器とを含む光送信機が提供される。 本発明は、線形特性が本質的に改良された直接変調型レーザソースを提供する 。これは、レーザによって生成されたひずみを消去する傾向のあるひずみ特性を 有する直接変調型レーザに後続する変調器を使用することによって達成される。 変調器は、半導体レーザと集積された電子吸収型変調器であることが好ましい 。レーザは、多量子井戸（ＭＱＷ）分布帰還型（ＤＦＢ）レーザであり、変調器 はＭＱＷ電子吸収型変調器であることが好ましい。 本発明の好ましい構成は、小型の単一チップの線形化されたアナログソースを 一緒に形成するモノリシックに集積された素子を使用する。この装置は、ディス クリートな装置を使用した構造と比べて優れたＲＦ位相安定性を提供する。さら に、電子吸収型変調器の非線形特性は高度に制御可能であり、ＤＦＢレーザを線 形化する役目に対してそれらを理想的なものにする。 その代りとして、電気・光学的変調器はマッハツェンダー装置でもよく、それ はプレーナデバイスであってもよい。 変調器は、変調されたソースの予測された特性に対して相補的なものであるよ うに選択された予め定められた特性を有していてもよい。しかしながら、変調器 は出力信号を線形化するために能動的に制御されることが好ましい。システムは 、送信機の出力を監視する検出器と、検出器の出力に依存して変調器に制御入力 を供給する手段とを備えていることが好ましい。検出器は、例えば出力信号の第 ３の高調波を検出し、この出力を最小化するためにフィードバックループで変調 器を駆動するように構成されていてもよい。 以下、単なる例示として添付図面を参照して本発明を使用するシステムを詳細 に説明する。 図１は、本発明を使用するレーザ／ＥＡ変調器の概略図である。 図２は、図１の変調器の伝達特性を示すグラフである。 図３Ａおよび３Ｂは、図１の装置の出力を検出するスペクトルである。 図４は、入力されたＲＦパワーに対するひずみの依存性を示すグラフである。 図５ａおよび５ｂは、本発明を使用する回路をさらに詳細に示している概略図 である。 図６は、図１のレーザ／変調器を詳細に示す断面図である。 図７は、図１の装置の製造に使用される結晶構造を示す。 図８は、別の実施形態の概略図である。 図９は、本発明を使用する光送信機を含むセルラー無線システムを示す概略図 である。 光送信機１は、直接変調型半導体レーザ２と、レーザの光出力と直列に接続さ れた光強度変調器３とを含んでいる。ＲＦソース４は、レーザおよび変調器に供 給された直流バイアス上に重畳される変調電圧を発生する。ＲＦソースと変調器 ３のゲートとの間に直列に接続された減衰器５は、変調器に供給される変調信号 の振幅とレーザに供給される変調信号との間に予め定められた比率を設定するた めに使用される。変調器は、選択された範囲のバイアス電圧を越える小信号に対 してほぼレーザの伝送特性に対して相補的であり、したがってレーザにより生成 された相互変調ひずみを消去することのできる伝達特性を有している。 拡大された詳細図は、回折格子層101、ＭＱＷ活性層102、ｎ型のＩｎＰスぺー サ層103、電子吸収層104、ＦｅでドープされたＩｎＰ領域105およびｐ型のＩｎ Ｐ領域106を示している。 この例において、送信機は図１に概略的に示された集積されたＤＦＢレーザお よびＥＡ変調器を含んでいる。それは、１００μｍの受動導波体部分６によって 分離された長さ３９５μｍのＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷ ＤＦＢレ ーザ部分と、長さ１９０μｍのＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷ ＥＡ 変調器部分とを有している。変調器およびレーザエピタキシャル層はＭＯＶＰＥ 法によって順次成長され、０．２μｍのＩｎＰスペーサ層によって分離されてい る。レーザのエピタキシャル層は、変調器および受動導波体部分ならびに高比抵 抗のＦｅでドープされたＩｎＰ層の成長前にエッチングされたメサの上方から選 択的に除去され、各部分間において電流阻止および分離が行われた。完成したチ ップは、溶接されたレンズを端部に有するファイバを備えた１４ピンの高速コネ クタを用いたモジュールにパッケージ化される。測定されたＣＷサイドモード抑 制率は＞４０ｄＢであり、ＤＦＢとＥＡ変調器部分との間の電気的分離は２ＭΩ であった。図２には、直流変調器の伝送特性（０ボルトに正規化された）が変調 器の逆バイアスの関数として示されている。 図６において、装置の断面がさらに詳細に示されており、図７には装置の製造 に使用される結晶構造が示されている。それは、ＥＡ変調器を形成するために必 要とされる層とその上部のＤＦＢレーザを成長させるために必要な層から構成さ れている。上述されたように使用される成長技術はＭＯＶＰＥである。成長後の 解析では、吸収層のピーク・フォトルミネセンス波長が、要求された１．５μｍ であることを示した。装置の製造において、１／４波長の位相シフトを有する２ 次の回折格子が、電子ビームリソグラフ技術を使用してサンプル上に形成される 。その後、装置がフォトリソグラフおよび成長のステップにより形成される。処 理ステップの節減は、レーザおよび変調器部分がＦｅでドープされたＩｎＰ電流 阻止構造を備えた埋込ヘテロ構造となるように設計することによって達成され、 したがってそれらがメサ限定、ＦｅでドープされたＩｎＰの被覆成長、Ｐ型コン タクト層の被覆成長および金属被覆工程を共有することが可能になる。メサ限定 の前に変調器および受動部分からレーザ層を除去するために、付加的なフォトリ ソグラフ工程が必要である。被覆成長工程は、レーザおよび変調器部分を電気的 に分離するために受動領域におけるＦｅでドープされたＩｎＰの１μｍの付着を 含む。これは、レーザおよび変調器領域中の活性ストライプ上を除く全ての箇所 からＰ型コンタクト層が除去された後、実行される。 この例において、変調器部分における吸収層の幅は、ＳＥＭ（走査形電子顕微 鏡）解析から１．７μｍであると評価された。スライスは９０μｍに薄化された 。特性把握およびパッケージ化のために個々のチップにスクライブする前に、バ ーは剪断され、その両ファセットが多層の反射防止被覆で被覆された。 最終的なパッケージ化された形態の送信機において、チップは金属被覆された ダイヤモンド上にｐ側を上にして位置される。このダイヤモンドから、ＤＦＢの 負の電気端子および逆バイアスされた変調器の正端子として機能するパッケージ の接地面まで低インピーダンスの通路が設けられる。パッケージは、チップ温度 が制御されることができるようにサーミスタおよびペルティエ冷却装置を含んで いる。変調器のｐ側に高速電気コンタクトを設けるために広帯域幅（４０ＧＨｚ ）のＫ型コネクタが使用される。直流電気コンタクトは、ＤＦＢ（１）ｐ側に形 成される。送信機の性能を測定するために、フォトダイオードは、レーザ出力を 直接監視することを可能にするためにＤＦＢファセットの近くに配置される。 図３Ａおよび３Ｂは送信機の性能を示す。標準的なツートーン試験が、ファイ バ供給ＧＳＭセルラー無線周波数（約９５０ＭＨｚの中心周波数、２００ｋＨｚ に等しい搬送波分離）に相当するＲＦ周波数でレーザＥＡ変調器装置に関して行 われた。ＲＦをレーザと変調器との間において分割するためにパワー分割装置が 使用され、変調器は減衰器５および位相調節器を介して供給された。 図３Ａには、−１．２１Ｖの変調器バイアスに対してＲＦがレーザだけに供給 された状態で検出されたスペクトルが示されている。３次および５次の相互変調 生成物が、ＲＦがレーザーだけに供給された場合のものとほぼ同じ振幅であるが 、検出された信号レベルがはるかに低いように、ＲＦが変調器部分だけに供給さ れた状態で、固定された減衰器（粗調節）と変調器バイアス（微調節）に対して 最初の調節が行われた。これに続いて、ＲＦが両装置に供給された状態で、最大 ひずみ消去を達成するように変調器バイアスが最適化された。図３Ｂの検出され たスペクトルは、バイアスが最適化された時の３次および５次の両方の相互変調 生成物の消去を明確に示しているが、検出された搬送波レベルはひずみ消去を行 わずに測定されたものの１ｄＢ以内にある。 減衰器とバイアス電圧との１以上の組合せにより、結果的にひずみが消去され た。別の例では、−０．１２Ｖのバイアスが変調器に与えられ、２６ｄＢの減衰 率が使用された。ここでも、相互変調生成物の消去が達成された。図４は、−０ ．１２Ｖのこの変調器バイアスに対して入力されたＲＦパワーによる３次の相互 変調ひずみの依存性をＲＦが変調器に与えられた場合および与えられない場合に ついて示している。この場合の受信機は、５０Ωで終端される簡単なｐｉｎフォ トダイオードであった。この測定における光電流は０．９ｍＡであり、−１６７ ｄＢ．Ｈｚのショット雑音の支配的な雑音フロアを生成した。ひずみ消去の結果 、９６ｄＢ．Ｈｚ^2/3乃至１１７ｄＢ．Ｈｚ^6/7のスプリアスのないダイナミック レンジ（ＳＦＤＲ）が得られる。 図５ａおよび５ｂは、上述された結果を得るために使用された２つの構造をさ らに詳細に示す。これらの回路において、駆動信号はパワー結合器51において組 合せられ、増幅器52 を通過される。結果的な信号は、３ｄＢのカップラ53によ って分割される。この信号の一方の部分は、レーザダイオード54へ駆動のために 結合される。直流バイアス電流ｉ_dcは１５４ｍＡである。信号の他方の部分は２ ０ｄＢの減衰器および制御段55を通過し、電気・光学的変調器の制御入力に結合 される。図５ａの場合、変調器57への信号路に別の減衰器56が含まれている。制 御段55は、レーザへの駆動信号の位相と整合するように変調器への駆動信号の位 相を調節するマイクロ波位相調節器を含んでいてもよい。この例において、制御 段は、要求された位相変化を与えるように互いに関して移動される１対のマイク ロ波ストリップ線路を含んでいる。さらに、図９に概略的に示されているように 、変調器に与えられるバイアスを制御するために送信機の光出力からのフィード バックが使用されてもよい。これを容易にするために、２つの高調波トーンが駆 動信号に抵抗によって付加されてもよい。その後、送信機の出力における光カッ プラが出力パワーの小部分を分離するために使用される。これは、整流ダイオー ドを通過され、適切なレベルで変調器用の制御信号を生成するように増幅された ２つの高調波トーンの差周波数を選択するために濾波される。 図８は、電気・光学的変調器がＧＥＣアドバンスト・オプティカル・プロダク ツＹ−３５−８９３１−０２として入手可能なマッハ・ツェンダー型のプレーナ 装置である別の実施形態を示す。直接変調型ＤＦＢ半導体レーザは、光源として 使用された。 上述されたように、本発明の送信機は特に、セルラー無線システム内のアナロ グ光リンクにおける使用に適している。図９はこのようなシステムを示しており 、図１に示された送信機が、光ファイバリンク93によって多数のＧＳＭセルラー ベースステーション92に結合された中央ステーション91に配置されている（説明 を容易にするために、図には単一のリンクおよびベースステーションが示されて いる）。セルラーベースステーションでは、光ＲＦ搬送波信号が移動無線ステー ション94へ伝送するために電気ＲＦ信号に変換される。これは、例えば文献（H. 0g awa,Trans.on Microwave Theory and Techniques,Vol.39,No.12,Dec 1991,pp204 5-2051）に記載されている技術を使用して行われる。

【手続補正書】 【提出日】１９９８年７月２７日（１９９８．７．２７） 【補正内容】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｂ 10/06 10/142 10/152 10/18

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）高周波アナログ電気変調信号用の入力を備えている直接変調型半導体 レーザと、 （ｂ）レーザの光出力と直列に接続され、レーザに供給される信号に対応した 高周波アナログ電気変調信号用の入力を備え、レーザによって出力された光信号 中の相互変調ひずみを少なくとも部分的に消去するように構成された伝送特性を 有している非線形光強度変調器とを具備している光送信機。 ２．変調器は、電子吸収型変調器である請求項１記載の光送信機。 ３．電子吸収型変調器は、半導体レーザと集積されている請求項２記載の光送信 機。 ４．レーザはＤＦＢレーザである請求項１乃至３のいずれか１項記載の光送信機 。 ５．レーザはマルチ量子ウェル（ＭＱＷ）分布帰還型（ＤＦＢ）レーザであり、 変調器はＭＱＷ電子吸収型変調器である請求項４記載の光送信機。 ６．変調器はマッハ・ツェンダー装置である請求項１乃至４のいずれか１項記載 の光送信機。 ７．光出力信号を線形化するように変調器を能動的に制御する制御回路をさらに 含んでいる請求項１乃至６のいずれか１項記載の光送信機。 ８．前記制御回路は、送信機の出力を監視する検出器を含んでおり、制御回路の 出力は変調器の制御入力に接続されており、使用時に、検出器の出力に依存して いる制御信号を制御入力に供給する請求項７記載の光送信機。 ９．中央ステーションと、遠隔地ベースステーションとの間にアナログ光リンク を含んでいるセルラー無線システムにおいて、 中央ステーションは、アナログ光リンクで伝送される変調された光信号を発生 するように構成された請求項１乃至８のいずれか１項記載の光送信機を具備して いるセルラー無線システム。 １０．高周波アナログ電気変調信号を半導体レーザに供給し、レーザの光出力と 直列に接続された非線形電気・光学的変調器に対応した高周波アナログ電気変調 信号を供給し、前記変調器がレーザによって出力された光信号中の相互変調ひず みを少なくとも部分的に消去するように構成された伝送特性を有している高周波 アナログ光信号の発生方法。 １１．さらに、変調器を能動的に制御し、それによって光信号を線形化する請求 項１０記載の方法。 １２．能動的に制御するステップは、 （ｉ）送信機の光出力を検出し、 （ii）前記光出力にしたがって変調器に供給される制御入力を変化させる請求 項１１記載の方法。 １３．（ａ）中央ステーションにおいて請求項１０乃至１２のいずれか１項記載 の方法によって高周波アナログ光信号を発生し、 （ｂ）前記光信号をアナログ光リンクによって遠隔地ベースステーションに送 信し、 （ｃ）遠隔地ベースステーションからの無線送信のために電気ドメインの無線 周波数信号を前記光信号から生成するセルラー無線システムの動作方法。