JPH03130723A - レーザー通信システム内のハーモニック歪を低減するための干渉計デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １更り亘王公１ 本発明は光通信システム、より詳細には、光学信号源と
して変調された半導体注入レーザーを使用する光伝送シ
ステムに関する。

夾免少１遣 アナログ或はデジタル信号光通信システムは、典型的に
は、その光出力が送信すべき情報を表わす変調信号に従
ってレーザー内に注入される電流によって変調される（
″ｒＷ、流注入変Ｗ）半導体注入レーザーを使用する。

この出力は、次に、伝送ライン、典型的には光ファイバ
ーを使用して受信機に送られ、ここで、この変調信号が
検出され、情報か回復及び使用される。例えば、このよ
うなシステムは、ケーブルＴＶ、衛星通信、及びレーダ
ー通信などに使用できる。

このようなシステムを効率的に使用するために、同一レ
ーザーを使用して同一伝送ライン上を多くの異なる信号
か同時に伝送される（多重化される）。

この目的のために、レーザーは、典型的には、複数のサ
ブキャリア周波数によって変調される（ｊｉ’ｉ！波数
多重化）が、これら複数のサブキャリア周波数自体は、
対応する複数の信号によって振幅あるいは周波敬愛ＩＩ
　（ＡＭあるいはＦＭ）される、但し、レーザー材料の
これら電気信号に対する応答の固有の分散非線型性（ｄ
ｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ　）あ
るいはレーザー空洞の非線型干渉計特性に起因する応答
の固有の非線型性、あるいはこの両者か結果としての回
避てきないレーザ一応答の全体としての非線型性を与え
る。電気信号に対するレーザ一応答のこの全体としての
非線型性は、結果として、信号の望ましくないハーモニ
ックを生成する原因となる。更に、変調されたレーザー
の波長チャーピング（ｃｈｉｒｐｉｎｇ）、及び伝送ラ
インに沿フて位置する分散性要素の非線型伝送特性とが
一体となって、八−モニック歪を与え、従って、異なる
周波数置７１１＠号間の望ましくない変調を与え、これ
によって、夫々、望ましくないハーモニック歪及び望ま
しくない変Ｗ間歪（クロストーク）が発生することとな
る。

先行技術においては、上記の望ましくない歪を低減する
ために、当分野における研究者たちは、レーザーの動作
ＤＣバイアス電流を、変調信号か全てゼロのとき、レー
ザーがその最も線型に近いレンジ（領域）、−）まり、
レーザーの光学出方の強度がレーザーに加えられた電流
の線型関数となるのに最も近い領域（最大線型領域）の
中央にて動作するように選択してきた。これを達成する
ために、レーザーかこの線型レンジ内のＤＣバイアスに
て動作し、二次ハーモニック歪か最少となることを確保
するための様々な電気フィート　バック　スキームが考
えられてきた。つまり、例えば、フィルター及びフィー
ドバックによって、レーザーの光学出方内の二次ハーモ
ニックが（レーザーに加えられるテスト信号に応答して
）検出され、ＤＣバイアス電流に対する修正信号がこの
二次ハーモニック歪を最少にするためにＤＣバイアス′
１ｔｆｉｔを調節するようにフィードバックされる。こ
のようなスキームは１例えば、１９７８年７ＪＪ１８日
付けで、Ａ、アルバネス（Ａ、ＡＩｂａｎｅｓｅ　）に
交付されたｒレーザー制御回路（Ｌａ５ｅｒ　Ｃｏｎｔ
ｒｃｌ（：１ｒｃｕｉ＋、　）　Ｊという名称の合衆国
特許部４．１０１８４７号において開示されている。こ
のようにアプローチは、レーザー内に生成される二次へ
−モニック歪を低減するためには有効であるが、これは
望ましくないより高次のハーモニックを低減できず。

また伝送ラインに沿って生成されるハーモニック歪を排
除することもない。

１胛例戻刀 波長チャープを示し、また光通信システム内に３ける光
源として使用される半導体注入レーザーにおいては、二
次及び三次ハーモニック歪が同時にこのレーザーの光学
出力の経路内に位置された光学干渉計デバイス４例えば
、ファブリペロ　エタロンによって生成される二次及び
三次ハーモニックによって最少にされる。長所として、
このエタロンは、比較的低い、つまり、１０％以下の反
射率を持つ。こうして、このエタロン内の非線型性かレ
ーザー内の二次及び三次非線型性の両方の非線型性を補
償する。

干渉計デバイスの光学パラメータは、レーザーのＤＣバ
イアス電流の選択との関連で、二次ハーモニック歪及び
三次ハーモニック歪の両方を同時的に最少にするように
選択及び必要であれば動作中に修正される。これら干渉
計デバイスのパラメータは、デバイスの光学位相φ及び
反射率りを含む、ファブリベロ　エタロン　デバイスの
場合は１例えば、この光学位相φは、ｎｄ　　ｃｏｓθ
／入に比例する。つまり、反射率ｎ、厚さｄと入射角の
コサインＣＯＳθを掛けたものを光線の真空波長で割っ
たものに比例する。従って、任意の波長入に対して１位
相θは、厚さｄ、入射角θあるいは屈折率ｎを変えるこ
とによって変えることができる０反射率ｒは、ファブリ
ペロの個々の面の（光学強度あるいはパワーの）反射係
数である。

本発明及び本発明の特徴及び長所は、以下の詳細な説明
を図面を参照にて読むことによって−Ｍ明白となるもの
である。

λ更例叉１１ 第１図に示されるように、光学通信システム１００にお
いては、半導体注入レーザーｌＯが変調された光線１１
を放射するが、これは、当分野において周知のように、
多重信号チャネル　バンク４０によって、アナログ振幅
あるいは周波数変調信号によって変調される。こうして
変調された光線１１は、光線に対して角度θの方位を持
って置かれたファブリペロ　エタロン１２を通過する。

エタロンを通って伝播した後、変調された光線１３が現
われ、光線スプリッター１４に当るが、これにより、光
線１３の強度の殆ど（典型的には約９０％）は、変調さ
れた光ｔ＆１５として現われる。この変調された光線１
５は、光ファイバ１６に入り、これを通って、光学検出
器１７．典型的には、光ダイオード検出器へと伝播する
。この光ダイオード検出器の電気出力は、増幅器１Ｂ、
典型的には、アナログ増幅器への入力として供給される
。増幅器１８の出力は出力端子１９に供給され、この端
子は、増幅器１８の出力信号内に受信される情報を使用
するためのユーティリゼーション手段２０つまり、回路
等に接続される。

光線スプリッター１４によって生成された残りの光線３
１（典型的には、光線１３の強度の約ｌＯ％を持つ）は
、その出力がもう一つの増幅器３３に供給されるもう一
つの光検出器３２に当る。この増幅器３３の出力端子は
、第二の八−モニック検出器３４に接続されるが、これ
は、ＤＣバイアス　ソース３５を制御する。一方、ＤＣ
バイアス　ソース３５は、ＤＣバイアス電流ＩＢをレー
ザー１０に供給する。

ファブリペロ１２のパラメータは、ＤＣバイアス電流Ｉ
Ｂとともに、八−モニック検出器からの信号が存在しな
いとき、試行錯誤によって、あるいは付録に示される計
算によって、或はこの計算と試行錯誤（微調節）との組
合わせによって、二次及び三次ハーモニック歪を最少に
するように選択される。

レーザー動作の際に、検出器３４によって検出される（
チャネル　バンク４０によって供給される変調信号に対
する）全ての二次ハーモニック成分は。

システム内の制御されない摂動に起因する歪を表わし、
従って、ＤＣバイアスが負のフィードバックの原理に従
って、あるいは視覚あるいは他の試行錯誤調節に従って
、この二次ハーモニックを低減するように検出器３４に
よって調節される。

本発明のもう一つの実施態様によると、第２図に示され
るように、光通信システム２００内においてレーザー１
０からの光線１１は、ファイバー１６に入りこれを通っ
て伝播する。ファイバーから光線５Ｏとして出現すると
、これは、ファブリペロ　エタロン５２に当る。光線５
１に対する可変方位角度Φを持つのに加えて、エタロン
５２は、また、可変屈折率、両面間の可変間隔、あるい
は（必要に応じて反射率を変化させるための）両面間の
可変方位（非平行）、或はこれら可変パラメータの任意
の組合わせを持つことができる０両面間のこの間隔及び
方位は１例えば、当接術において周知のように、圧電制
御メカニズムによって制御されるエタロンの両面間に位
置された圧電材料を使用することによって制御できる。

エタロン５２から出現する光線５３は、検出器１７に当
るが、これは、電気信号を生成し、この信号は、増幅器
１８によって増幅される。

動作の際に、二次ハーモニック検出器６２は、増幅器１
８の出力内に（チャネル　バンク４０によって供給され
る信号に対する）二次ハーモニック成分を検出し、そし
て、負のフィードバックの原理あるいは試行錯誤に従っ
て、この出力内の二次ハーモニックを低減するために、
エタロン５２の位相Φを変えるために圧電制御メカニズ
ム５１に一つの信号なフィードバックする。同時に、必
要であるときは、三次ハーモニック検出器６３が増幅器
１８の出力内の三次ハーモニックを検出し、そして、負
のフィードバックの原理あるいは試行錯誤に従って、こ
の三次ハーモニック歪を低減するために、エタロンの対
面する面の方位（非平行性）を変え、従って、これら両
面の反射率を変えることによってフィネスを変えるため
に圧電制御メカニズム５１に一つの信号をフィードバッ
クする。

一例として（第１図）、レーザーｌＯはｐ−ｎ接合イン
ジウム・ガリウム・ヒ素・リン化物分散フィードバック
注入レーザーであり、これは、光学イソレータ（図示無
し）を介してシングル　モード　ファイバー（図示無し
）の短いセクションに結合される。ファイバー（図示無
し）の他方の短いセクションは、これら二つの短いファ
イバーの両端間のエタロン干渉効果を回避するために、
もう一つのファイバー（図示無し）を介して、光線を検
出器３２に結合するために使用される。このレーザーに
よって照射される光の波長は、約１．３マイロクメート
ルである。ＤＣバイアス電流は約４０から４１ミリアン
ペアの間にされる。レーザーはユニット当り約３２５メ
ガヘルツ／ミリアンペアの変調チャープ、及び約１．７
ギガヘルツ／ミリアンペアのＤＣチャープを持つ。変調
電流は、約２２５メガヘルツの周波数において、約２１
ミリアンペアとされる。応答係数δ（付録参照）の非線
型性は、約０．００３／ミリアンペアである。最後に、
ファイバーエタロンは、約２．８８ｘｌＯ”／セコンド
（あるいは１．１６ｘｌＯ−１Ｉｃｍ）のフリー　スペ
クトル　レンジ（ＦＳＲ＝ｃ／２ｎｄ　　ｃｏｓθ）、
及び約３パーセントの屈折率ｒを持つ。二次ハーモニッ
ク歪の測定された向上は、少なくとも約２０ｄＢあり、
三次ノ＼−モニック歪は、二次ハーモニック歪以下にと
どまった。

ココテ、ハーモニック歪に９いて説明する。

非線型のパワー／電流関係を持つ変調半導体レーザーか
らのパワー（強度）出力Ｐ。は、以下のように書くこと
ができる。

ｐｏ＝　ｋ−１（＋−δ・ｒ）　　　　　（１）ここで
、ｋは、定数であり、■はレーザー　ドライブｉＷｉ！
！（バイアス　プラス信号）であり、モしてδは、応答
係数の非線型性である。レーザーが周波数ｆにおいて振
幅変調され、そしてドライブ電流Ｉが域値以上のバイア
ス電流Ｉｂ及びピーク　ツウ　ビーク値１．を持つ信号
電流から成るようなケースにおいては、以下の関係が成
立する。

一方、低反射率を持つファブリペロ　エタロンの透過関
数Ｆは、概ね以下の式によって与えられる。

ここで、βｄａはｄｃバイアス電流の単位変化当りのレ
ージング波長のシフトであり、βは単位変調電流当りの
変調訪導チャーブであり、モしてΦ。は、特にエタロン
の光学厚さに依存する任意位相である。

エタロンを通っての伝播の後に現われる光学パワーＰが
Ｐ＝Ｐｏに与えられることに注意すると、式（１）、（
２）、及び（４）を組合わせることによって、エタロン
を通過した後の光学パワーに対して以下の式が得られる
。

ここて、Ｒは、エタロンのりプル（＝Ｉ　　Ｐ−ＩＮ／
Ｐい、）を表わす。

レーザー波長が温度及び出力パワー、従って、レーザー
　ドライブ電流に依存することを考えると、低反射率フ
ァブリペロ　エタロンの透過関数）−＝＝ｐ／Ｐｏは、
以下のように表わすことができる。

（５） 式（５）は、周波数ｆの高度に非線型関数であり、ハー
モニック歪を与える。この式のベッセル関数表現は、そ
れぞれ基本成分Ｓｒ、二次ハーモニック成分ｓｚｒ、及
び三次ハーモニック成分Ｓ３ｒに対して、以下の式を与
える。

■□ Ｓ（：　−＋ＲＪｂ・ＪＩ（５ｃｏｓφ＋　”ｍ’（Ｊ
ｏ（１−’２（’）’ｌ）”ｎφ−δ・■ト４ 、　　Ｒ ５２（：　ＲＩ６・Ｊｌ（γ）ｓ＋ｎφ−”ｍ　（Ｊｌ
　（７）−Ｊ３　（Ｙ））Ｃｏｓφ−δ■ｌ・Ｓ３「・
ＲＴｂ−１３（γ）ｃＯ５φ＋　’Ｉｒｎ（Ｊｌ（ｙ）
−Ｊ４（７））ｓｉｎφ−δ１２上によって与えられ、
実験によって確認される二次及びハーモニック光は、バ
イアス電流１ｂが変化されると、互いに逆位相となる自
然傾向を持つ、つまり、二次ハーモニワク成分Ｓオ「が
最少付近（サインφ＝０）にあると、三次成分ｓ３ｒは
、最大（ｃ。

Ｓφ＝１）付近に来る。ファブリペロのパラメータの妥
当な選択によって、この逆位相傾向を破り、従って、二
次及び三次ハーモニック成分を同時的に最少にすること
、つまり、同時的に、Ｓ　ｔｔ＝　Ｓ　３ｔ＝　０にす
ることが可能である。

数学的に、要求されるパラメータを、δがゼロでないと
想定し、最初にＲに対する式７（Ｓ＊ｒ＝Ｏ）をφ、■
１．及び１１．：Ｒ＝Ｒ（φ、■１、ｘｂ）の関数とし
て解くことによって計算することができる０次に、■、
の好都合の値、典型的には、Ｉｂのおおむね期待される
値の約０．９５倍以下の値を、Ｒがφ及び１．：Ｒ＝Ｒ
（Ｉｂ、φ）の関数として得ることができるように選択
する。次に、Ｉｂに対する弐８（Ｓユ「＝０）をＲが相
殺することに注目してφの関数としてとき、次にＩｂに
対するこの解をφの式で前のＲ＝Ｒ（Ｉ　ｂ　、φ）に
代入してＲをφ。

Ｒ＝Ｒ（φ）の関数として得る、つまり、ファブリペロ
　エタロン　リプルをエタロン位相の関数として得る。

このリプルは反射率ｒと（１−Ｒ）＝　（１ｒ）　ｘ　
／　（１＋ｒ”　）の関係を持つが、これは低反射率エ
タロンに対しては、Ｒ＝４ｒに整理でき。

このため、いずれにしても反射率ｒがこうして任意のエ
タロン位相φに対して計算できる。エタロン位相はφ＝
４πｎｄ　　ｃｏｓθ／λによって与えられるため、任
意の波長λ及びエタロン位相φに対して、ｎ（屈折率）
、ｄ（厚さ）、及びｃｏｓθか、こうして、二次及び三
次ハーモニック歪の両方を同時に最少にするように計算
可能である。

δ＝０．つまり、理想（線型）レーザーのケースにおい
ては、式７のＳ！、を０、そして弐８のＳＳｔを０にセ
ットすることにより、ｔａｎφに対する二つの連続方程
式か得られるが、これが両立するためには以下が要求さ
れる。

式９は、従って、ファブリペロ　エタロンを通過した後
の出力内に二次及び三次ハーモニック歪が存在しない線
型レーザーのケースに対するきっちりとした解であるこ
とに注意する。

本発明は、特定の実施態様を用いて説明されたが１本発
明の範囲から逸脱することなく様々な修正が可能である
６例えば干渉計デバイス、例えば、ファブリペロ　エタ
ロン５２のこれらパラメータは、レーザーによってのみ
でなく、レーザーによって生成されたものに加えて、フ
ァブリペロによって生成された二次あるいは三次ハーモ
ニック歪、あるいはこの両方を最少にするために、動作
の際に選択及び調節することができる。最後に、ファブ
リペロ　エタロンの代わりに、他の干渉計デバイス、例
えば共鳴光学増幅器を使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一つの特定の実施態様に従う光通信
システムを示す図：そして 第２図は１本発明のもう一つの実施態様に従う他の光通
信システムを示す図である。 第１図と第２図との間の主な差は、ファプリペロエタロ
ンがこのシステムの送信端の所に置かれるか受信端の所
に置かれるかである。 第１図と第２図内において木質的に同一の要素は同一の
参照番号を持つ。 〈主要部分の符号の説明〉 ・　半導体注入レーザー ３・・・　変調光線 ・　光学干渉計デバイス ・　光線スプリッター ・　光ファイバ ・　光学検出 ３・・・　増幅器 ・　ユティリゼーション手段 ・　二次ハーモニック検出器 ・　多重チャネル　バンク ・　ファブリペロ　エタロン ・　二次ハーモニック検出器及びエタロン位相フィート
ハウク 二次ハーモニック検出器及びエタロン 反射率フィードバック 　３ １０　・ １　ｌ　、 ｌ　２　・ ｌ　４　・ １６　・ ｌ　７　・ １８゜ ２０　・ ３４　・ ４０　・ ５２　・ ６２　・ ＦＩＧ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）レーザーに加えられる信号によって変調され
   る変調光線（１１）である光線を放射する半導体注入レ
   ーザー（１０）；及び （ｂ）該光線内のハーモニック歪を低減するように該変
   調光線の経路内に置かれた光学干渉計デバイス（１２）
   を含み、該干渉計デバイスは各々が約１０パーセント以
   下の反射率を持つ対面する面を持つファブリペロエタロ
   ンであることを特徴とする光伝送システム。２、該干渉
   計デバイスの位相が二次及び三次ハーモニック歪を同時
   に最少にするように選択され、該レーザーが半導体注入
   レーザーであることを特徴とする請求項１記載のシステ
   ム。 ３、該レーザーから来る光放射を受信及び送信するよう
   に位置された光ファイバーをさらに含むことを特徴とす
   る請求項２記載のシステム。 ４、該ファイバーから来る光を検出するための手段をさ
   らに含むことを特徴とする請求項３記載のシステム。 ５、該ファイバーから来る光を検出及び使用するための
   手段をさらに含むことを特徴とする請求項３記載のシス
   テム。 ６、該レーザーから来る光放射を受信及び送信するよう
   に位置された光ファイバーをさらに含むことを特徴とす
   る請求項１に記載のシステム。 ７、該レーザーから来る光を検出するための手段をさら
   に含むことを特徴とする請求項６記載のシステム。 ８、該ファイバーから来る光を検出及び利用するための
   手段をさらに含むことを特徴とする請求項６記載のシス
   テム。