JP4080532B2

JP4080532B2 - 光送信用デバイス

Info

Publication number: JP4080532B2
Application number: JP51949997A
Authority: JP
Inventors: ウエストブルック、レスリー・デイビッド; ムーディー、デイビッド・グラハム
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: DE69636481T2; EP0862819A1; CA2237260A1; WO1997019528A1; GB9523731D0; AU7631596A; DE69636481D1; NO982273L; ES2271959T3; US6320688B1; EP0862819B1; CA2237260C; AU703383B2; JP2000501233A; NO982273D0

Description

【０００１】
【発明の則する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバの低損失性およびＥＭＩ不感性は、例えばセルラー無線システムにおいて、遠隔地送信機位置に対する信号の分配に光ファイバリンクを使用することを魅力的なものにしている。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。
【０００３】
アナログ光ファイバリンクに含まれる光送信機の電気・光学変換特性に非線形が含まれるとそれによって相互変調ひずみが発生する。そのためにダイナミックレンジは、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。従来、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 & Techniques, vol 42 no.12 pp 2642-2649］。この提案では両変調器に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の変調器のひずみを補正している。
【０００４】
【発明の解決しようとする課題】
本発明は、線形特性が改良された直接変調型レーザソースを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的は、本発明の光送信機によって達成される。本発明の光送信幾は、直接変調型レーザに後続して、このレーザによって生成されたひずみを消去するようなひずみ特性を有する光強度変調器を使用することを特徴とする。
すなわち、本発明の光送信機は、
（ａ）複数の高周波周波数を含んでいる高周波アナログ電気信号を入力信号として受信する入力部と、
（ｂ）前記高周波アナログ電気信号入力部に接続されている変調信号入力部を備え、この変調信号入力部に供給される前記高周波アナログ電気信号によって変調された光信号を出力する直接変調型の半導体レーザと、
（ｃ）前記半導体レーザの光出力部と光学的に直列に接続されて前記変調された光信号を供給され、この変調された光信号中に含まれている前記半導体レーザ内で生成された相互変調ひずみを少なくとも部分的に消去するように前記変調された光信号を変調する非線形の光強度変調器とを具備し、
（ｄ）前記非線形の光強度変調器の変調制御入力部は前記高周波アナログ電気信号入力部に接続され、この光強度変調器の変調制御入力部に供給される高周波アナログ電気信号の振幅は、前記半導体レーザの変調信号入力部に供給される信号の振幅に対して、前記光強度変調器がその変調によって前記半導体レーザ内で生成された相互変調ひずみを少なくとも部分的に消去するような比率に設定されている。
【０００６】
光強度変調器は、半導体レーザと共に集積された電子吸収型（ＥＡ）変調器であることが好ましい。半導体レーザは多量子井戸（ＭＱＷ）分布帰還型（ＤＦＢ）レーザであり、光強度変調器はＭＱＷ電子吸収型光強度変調器であることが好ましい。
【０００７】
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形成するモノリシックに集積された装置を使用する。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、電子吸収型光強度変調器の非線形特性は制御が可能であり、それはＤＦＢレーザの非線形特性を線形化する役割を行うのに利用可能である。
その代りとして、電気・光学的光強度変調器はマッハツェンダー装置であってもよく、それはプレーナデバイスであってもよい。
【０００８】
本発明で使用される電子吸収型光強度変調器は、変調されたレーザ光を発生する直接変調半導体レーザの予測された特性に対して相補的な特性を有するように選択された予め定められた特性を有するように構成することができるが、本発明の好ましい１実施形態のように出力信号を線形化するために光強度変調器が能動的に制御されてもよい。この実施形態のシステムでは、送信機の出力を監視する検出器と、検出器の出力に応じて変調器に制御入力信号を供給する手段とを備えている。検出器は、例えば出力信号の第３高調波を検出し、この出力を最小にするようにフィードバックループで光強度変調器を駆動するように構成される。
【０００９】
【発明を実施の形態】
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。光送信機１は、直接変調型半導体レーザ２と、この半導体レーザ２の光出力部と直列に接続された光強度変調器３とを備えている。ＲＦ（無線周波数）ソース４は、半導体レーザ２および光強度変調器３に供給されている直流バイアスに重畳される変調電圧を発生する。図１でＲＦソース４と変調器３のゲートとの間に直列に接続されている減衰器５は光強度変調器３に供給される変調信号の振幅を半導体レーザ２に供給される変調信号の振幅に比較して所定の減衰率で減少された振幅にするために使用される。光強度変調器３は変調信号の振幅を所定の減衰率に設定することにより前述のように直接変調半導体レーザの予測された特性に対して相補的な特性、すなわち、半導体レーザによって生成される相互変調ひずみに対して反対の特性の変調を与えるような特性を有しており、したがって半導体レーザにより生成された相互変調ひずみを反対特性の光強度変調によって消去することができる。
【００１０】
図１の円形の部分に示されている拡大された詳細図に示されているように、光送信機１は、回折格子層101、ＭＱＷ（多量子井戸）活性層102、ｎ型のＩｎＰスペーサ層103、電子吸収層104、ＦｅでドープされたＩｎＰ領域105（半導体レーザ２と光強度変調器３との間に位置する受動導波体部分６）およびｐ型のＩｎＰ領域106を有している。
この実施例において、送信機１は図１に概略的に示された集積されたＤＦＢレーザ２およびＥＡ（電子吸収型）光強度変調器３を含んでいる。それらは、１００μｍの長さの受動導波体部分６によって分離され，ＤＦＢレーザ部分２は長さ３９５μｍのＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰＭＱＷであり、ＥＡ光強度変調器部分３は長さ１９０μｍのＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰＭＱＷである。光強度変調器３とレーザ２の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103によって下の層から分離されている。レーザのエピタキシャル層は、光強度変調器および受動導波体部分の上方からエッチングにより選択的に除去されてメサが形成され、各部分間の電流阻止および分離が行われ、その後、高比抵抗のＦｅでドープされたＩｎＰ層が成長された。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光強度変調器部分との間の電気的分離は２ＭΩであった。図２には、直流バイアスを与えられている光強度変調器３の伝送特性（０ボルトに正規化された）が光強度変調器の逆バイアスの関数として示されている。
【００１１】
図６には図１の装置の断面図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。また、図７の各層の詳細は表１に記載されている。
【表１】

図７の結晶構造体は、ＥＡ光強度変調器を形成するために必要とされる層とその上部に形成された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。使用される成長技術は上述された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処理ステップにより形成される。最後にレーザ部分および光強度変調器部分が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が形成される。このようにレーザ部分と光強度変調器部分とを一体の結晶構造体として構成にすることによって処理ステップを少なくすることが可能になる。すなわち、メサの形成、ＦｅでドープされたＩｎＰ被覆の成長、Ｐ型コンタクト層の被覆成長および金属被覆工程を共通の処理で行うことが可能になる。メサの形成の前に光強度変調器および受動導波体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。被覆成長工程には、レーザ部分と光強度変調器部分とを電気的に分離するために受動導波体部分の領域にＦｅでドープされたＩｎＰの１μｍの付着工程が含まれる。これは、レーザおよび光強度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。
【００１２】
この実施例において、光強度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、すなわち装置を形成している半導体結晶構造の板の厚さは９０μｍに薄くされた。その後、その両ファセットが多層の反射防止被覆で被覆され、パッケージ化のために個々のチップにスクライブされた。
【００１３】
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光強度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。光強度変調器のｐ型ＩｎＰ領域の表面上に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。直流バイアス用の電気コンタクトは、ＤＦＢのｐ型ＩｎＰ領域の表面上に形成される。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。
【００１４】
図３Ａおよび図３Ｂは送信機の性能を示す。ファイバフィード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）に相当する無線周波数（ＲＦ）でレーザ２およびＥＡ光強度変調器３により構成されている装置に関して標準的なツートーン試験が行われた。ＲＦ信号をレーザ２と光強度変調器３との間で分割するためにパワー分割装置（図１では省略されて示されていない）が使用され、ＲＦ信号は光強度変調器３には減衰器５および位相調節器（図１では示されていない）を介して供給された。
【００１５】
図３Ａには、光強度変調器３のバイアス電圧が−１．２１Ｖであり、ＲＦ信号がレーザ２だけに供給された状態で（したがってレーザ２から出力された光信号は光強度変調器３では全く変調されていない）検出されたスペクトルが示されている。図３Ａの中央付近にはツートーン信号による２つのピークが存在し、その両側には相互変調生成物による小さい振幅のピークが認められる。この図３Ａおよび図３Ｂに示された特性の場合にはこの小さい振幅のピークは３次および５次の相互変調生成物に相当している。次に、ＲＦ信号が光強度変調器３だけに供給された状態で減衰器の調節（粗調節）および光強度変調器のバイアス電圧の調節（微調節）が最初の調節として行われてＲＦ信号がレーザ２だけに供給された場合の３次および５次の相互変調生成物による振幅とほぼ同じ振幅であるが、レーザ２だけの場合と反対極性で光強度変調器３から出力された検出された信号のレベルでは非常に低くなるように調節される。最後に、ＲＦ信号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光強度変調器のバイアスが最適化された。図３Ｂに示されているように送信機１から出力された光信号の検出されたスペクトルは、バイアスが最適化されたときの３次および５次の両方の相互変調生成物が消去されていること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以内にあり、この装置による信号の損失は非常に少ないことが示されている。
【００１６】
減衰器の減衰率と光強度変調器の直流バイアス電圧とのいくつかの組合せによってひずみを消去することができ、例えば、光強度変調器の直流バイアス電圧が−０．１２Ｖの場合には、２６ｄＢの減衰率が使用された。図４は、−０．１２Ｖのこの光強度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が光強度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。この場合にこの送信機の出力を受信する受信機は、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、−１６７ｄＢ．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。
【００１７】
図５ａおよび図５ｂは、上述された結果を得るために使用された送信機の２つの実施例の回路の詳細を示している。これらの回路において、２つの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に供給されて増幅される。その結果得られた信号は、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へ結合されて変調を行うようにレーザダイオード54を駆動する。レーザダイオード54の直流バイアス電流ｉ_dcは１５４ｍＡである。分割された信号の他方は２０ｄＢの減衰器および制御段55を通過し、光強度変調器の変調制御入力部に結合される。図５ａの場合、光強度変調器57への信号路には別の減衰器56が含まれている。制御段55は、レーザの変調のための駆動信号の位相と整合するように光強度変調器を駆動する制御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。この実施例では、制御段55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、光強度変調器に与えられる直流バイアス電圧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図３について前述したのと同様にツートーン信号の２つのＲＦトーン信号が抵抗を使用して駆動信号に付加されてもよい。その後、送信機の出力における光カップラにより出力パワーの小部分を分離して光検出器に供給する。この信号は整流ダイオードを通過して濾波されて２つのＲＦトーン信号の差周波数が選択されて増幅され、適切なレベルで光強度変調器のための制御信号を生成する。
【００１８】
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半導体レーザが光源として使用された。
【００１９】
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.Ogawa,Trans.on Microwave Theory and Techniques,Vol.39,No.12,Dec 1991,pp 2045-2051）に記載されている技術を使用して行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を使用するレーザ／ＥＡ変調器の概略図。
【図２】図１の変調器の伝達特性を示すグラフ。
【図３Ａ】図１の装置の出力を検出するスペクトル。
【図３Ｂ】図１の装置の出力を検出するスペクトル。
【図４】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。
【図５ａ】本発明を使用する回路の詳細図。
【図５ｂ】本発明を使用する回路の詳細図。
【図６】図１のレーザ／変調器の詳細な断面図。
【図７】図１の装置の製造に使用される結晶構造。
【図８】別の実施形態の概略図。
【図９】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の概略図。

Claims

（ａ）複数の高周波周波数を含んでいる高周波アナログ電気信号を入力信号として受信する入力部と、
（ｂ）前記高周波アナログ電気信号入力部に接続されている変調信号入力部を備え、この変調信号入力部に供給される前記高周波アナログ電気信号によって変調された光信号を出力する直接変調型の半導体レーザと、
（ｃ）前記半導体レーザの光出力部と光学的に直列に接続されて前記変調された光信号を供給され、この変調された光信号中に含まれている前記半導体レーザ内で生成された相互変調ひずみを少なくとも部分的に消去するように前記半導体レーザから出力された前記変調された光信号を変調する非線形の光強度変調器とを具備し、
（ｄ）前記非線形の光強度変調器の変調制御入力部は前記高周波アナログ電気信号入力部に接続され、この光強度変調器の変調制御入力部に供給される高周波アナログ電気信号の振幅は、前記半導体レーザの変調信号入力部に供給される信号の振幅に対して、前記光強度変調器がその変調によって前記半導体レーザ内で生成された相互変調ひずみを少なくとも部分的に消去するような比率に設定されている光送信機。
光出力信号を線形化するように前記光強度変調器を能動的に制御する制御回路をさらに具備し、この制御回路は送信機の出力を監視する検出器を備え、制御回路の出力部は前記光強度変調器の変調制御入力部に接続されており、制御回路は前記検出器の出力信号に基づいて前記光強度変調器を制御する請求項１記載の光送信機。
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み、
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記載の光送信機を具備しているセルラー無線システム。
複数の高周波周波数を含んでいる高周波アナログ電気信号によって変調された光信号を生成する方法において、
（ａ）半導体レーザ中で光信号を発生し、
（ｂ）前記複数の高周波周波数を含んでいる高周波アナログ電気信号を前記半導体レーザに入力させてその信号により前記半導体レーザの光出力を変調し、
（ｃ）前記半導体レーザと光学的に直列に接続されている非線形の光強度変調器に前記半導体レーザの変調された光出力を入力させ、前記光強度変調器は変調によって前記半導体レーザ内で生成されて供給された光信号中に含まれている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、
（ｄ）前記高周波アナログ電気信号を前記光強度変調器の変調制御入力部に入力させ、前記半導体レーザの変調信号入力部に供給される前記高周波アナログ電気信号の振幅と、前記光強度変調器の変調制御入力部に供給される高周波アナログ電気信号の振幅との比率は、光強度変調器がその変調によって前記半導体レーザ内で生成された相互変調ひずみを少なくとも部分的に消去するような比率に設定されている変調された光信号の生成方法。
さらに、前記光強度変調器を能動的に制御して光信号を線形化するステップを含んでおり、
前記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前記光強度変調器に供給される制御入力を変化させる請求項４記載の方法。
（ａ）中央ステーションにおいて請求項４に記載された方法によって高周波アナログ光信号を発生し、
（ｂ）前記高周波アナログ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。
複数の高周波周波数を含んでいる高周波アナログ電気信号によって変調された光信号を生成する方法において、
（ａ）半導体レーザ中で光信号を発生し、
（ｂ）前記複数の高周波周波数を含んでいる高周波アナログ電気信号を前記半導体レーザに入力させて前記半導体レーザの光出力を変調し、
（ｃ）前記半導体レーザと光学的に直列に接続されている非線形の光強度変調器に前記半導体レーザの変調された光出力を入力させ、前記光強度変調器は調によって前記半導体レーザ内で生成されて供給された光信号中に含まれている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ており、
（ｄ）前記高周波アナログ電気信号を設定された減衰率で減衰させて前記光強度変調器の変調制御入力部に供給し、この減衰率は、光強度変調器がその変調によって前記半導体レーザ内で生成された相互変調ひずみを少なくとも部分的に消去するような値に設定されている変調された光信号の生成方法。