JPH03144424A - 光単安定マルチバイブレータ - 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】 目　　　　次 概要 産業上の利用分野 従来の技術　　　　　　　　　（第１１図）発明が解決
しようとする課題 課題を解決するための手段　　（第１図）作　　　用 実　施　例　　゛　　　（第２図〜第１Ｏ図）発明の効
果 牟ｉ　　　　要 光信号列から抽出された光フレームをもとに低速な光ク
ロックを生成する用途や光パルスのデユーティ比拡大の
用途等に用いられる光単安定マルチバイブレータに関し
、 このような新規な光単安定マルチバイブレータの提供を
目的とし、 双安定半導体レーザに入力光パルスが入力したときに該
入力光パルスのパルス幅よりも大きいパルス幅を有する
出力光パルスが上記双安定半導体レーザから出力する光
単安定マルチバイブレータであって、双安定半導体レー
ザと、該双安定半導体レーザがオン状態及びオフ状態か
らなる２つの安定な状態をとり得るように上記双安定半
導体レーザに電流バイアスを与える可変電圧源又は可変
電流源と、上記双安定半導体レーザの出力光の一部を受
光するフォトダイオードと、該フォトダイオードに逆バ
イアスを与える電圧源と、上記フォトダイオードに生じ
た光電流が流れる負荷回路とを備え、該負荷回路におけ
る上記光電流に対する応答信号を上記電流バイアスに帰
還して、入力光パルスの入力によりオン状態となった上
記双安定半導体レーザをオフ状態にするようにして横絞
する。

産業上の利用分野 本発明は、光信号列から抽出された光フレームをもとに
低速な光クロックを生成する用途や光パルスのデユーテ
ィ比拡大の用途等に用いられる光単安定マルチバイブレ
ータに関する。

光通信用ネットワークの展開と伝送路の大容量化・高速
化に伴い、光信号を電気信号に変換することなく光信号
の状態で信号の処理を行う光信号処理技術が注目されて
いる。そのうちで時間軸上で多重化された光信号をデー
タのフレーム或いはクロックに同期させて処理を行う同
期型光信号処理技術は、実用性の高い技術として各所で
研究がなされている。この種の同期型光信号処理におい
ては、時間軸上で多重化された光信号列からフレーム信
号或いはクロック信号を抽出してこれを信号処理部に供
給する必要がある。

従来の技術 従来の信号処理技術においては、光信号のフレームやク
ロックを用いずに、電気信号によって処理を行っている
ため、光信号の形でフレームやクロックを抽出する具体
的な例は存在しない。また、光伝送路上に置かれた伝送
処理ノード内で同期処理を行う場合にも、このような信
号の処理は全て電気信号の処理によっていた。この電気
信号による信号処理の一般的な概念図を第１１図に示す
。

光伝送路（入力部）１０１から入力した光信号列１０２
は、−旦光／電気変換回路１０３において電気信号に変
換され、電気信号処理部１０４において信号のフレーム
やクロックが抽出される。伝送処理ノードにおいて光加
入者等の光端末への信号分岐処理を行う場合には、信号
を光端末へ送り出すための低速のクロックを作り出すた
めに、さらに処理を行った後、このクロックと信号とを
電気／光変換回路１０５において再び光信号に変換して
から、光伝送路（出力部〉　１０６に出力する。

発明が解決しようとする課題 従って、例えば光枠線系の超高速の光信号を取り扱い、
多チャンネルの光端末に接続すべく分岐／挿入処理を実
現するためには、第１１図に示したような電気信号の処
理では超高速・多チャンネルの光／電気変換部及び電気
信号処理部が必要になり、扱う信号の大容量化に対して
、多チャンネル化の場合に処理装置が大規模化し若しく
は複雑化するという問題があり、或いは処理速度の点で
問題が生じる。

そこで、本発明は、光信号列から抽出された光フレーム
をもとに低速な光クロックを生成する用途や光パルスの
デユーティ比拡大の用途等に用いられる新規な光単安定
マルチバイブレータの提供を目的としている。

課題を解決するための手段 第１図は本発明の原理ブロック図である。この光単安定
マルチバイブレータは、双安定半導体レーザに入力光パ
ルスが入力したときに該入力光パルスのパルス幅よりも
大きいパルス幅を有する出力光パルスが上記双安定半導
体レーザから出力するようにしたものである。

１は双安定半導体レーザである。２は可変電圧源又は可
変電流源であり、双安定半導体レーザ１がオン状態及び
オフ状態からなる２つの安定な状態をとり得るように双
安定半導体レーザ１に電流バイアスを与える。３は双安
定半導体レーザ１の出力光の一部を受光するフォトダイ
オードである。

４はフォトダイオード３に逆バイアスを与える電圧源で
ある。５はフォトダイオード３に生じた光電流が流れる
負荷回路である。

そして、負荷回路５における上記光電流に対する応答信
号を上記電流バイアスに帰還して、入力光パルスの入力
によりオン状態となった双安定半導体レーザ１をオフ状
態にするものである。

作　　　用 双安定半導体レーデ１は、可変電圧源又は可変源流源２
によってオン状態及びオフ状態からなる２つの安定な状
態をとり得るようにされている。

オフ状態にリセットされた双安定半導体レーザ１に光フ
レーム等の光パルスが入力すると、双安定半導体レーザ
１はオン状態になり、レーザ発振を開始する。双安定半
導体レーザ１がレーザ発振を開始すると、フォトダイオ
ード３はその光の一部を受光して、フォトダイオード３
には光電流が生じ、この光電流は負荷回路５を流れる。

負荷回路５に光電流が流れると、光電流に対する応答信
号が双安定半導体レーザ１の電流バイアスに帰還されて
、双安定半導体レーザ１は双安定領域から外れ、入力光
パルスの入力によりオン状態となっている双安定半導体
レーザ１は、オフ状態にリセットされる。よって、負荷
回路５の応答信号に応じて所望のパルス幅の光パルスを
得ることができ、入力光パルスをトリガとする光単安定
マルチバイブレータが提供される。

本発明の望ましい実施態様によれば、負荷回路５は光電
流が流れる負荷抵抗及び負荷容量を備えており、負荷抵
抗及び負荷容量の値によって出力光パルスのパルス幅を
決定するようにしている。

また、本発明の望ましい他の実施態様によれば、負荷回
路５は光電流が流れる第１の負荷抵抗を備えており、且
つ、第１の負荷抵抗の両端電圧をトランジスタにより増
幅するようにしている。

実　　施　　例 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明の望ましい実施例を示す光単安定マルチ
バイブレータの回路図、第３図はその構成要素である双
安定半導体レーザの構成図、第４図は双安定性の説明図
である。

まず、第３図及び第４図により双安定半導体レーザ１１
の構成及び動作を説明する。双安定半導体レーザ１１は
、第３図に示すように、活性層２２の長手方向く光軸方
向〉に分割された電極２３゜２４を有しており、これら
の電極の背面側には共通の接地電極２５が形成されてい
る。電極２３゜２４に供給する電流バイアスＩ、、１．
を適当値に設定しておくことにより、光入力ＰＩＮの変
化又は電流バイアス１１　若しくはＩ２　の変化に対し
て光出力Ｐ。Ｕ、がヒステリシスを伴って変化し、双安
定性が生じる。

第４図はこの双安定性を説明するための図であって、縦
軸は光出力Ｐ。ＵＴ　１横軸は一方の電流バイアスＩ２
　が適当値で一定のときの他方の電流バイアス１１　を
示している。わずかに自然発光しているオフ状態３１で
電流バイアスＬ　を徐々に増加させていくと、セットし
きい値１１０８　にてオン状態（レーザ発光状態）３２
に立ち上がり、−旦オン状態３２になると、リセットし
きい値工、。、Ｐ（＜　Ｉ＋ｏ＊　）よりも小さな電流
バイアスとなるまでオン状態が維持される。つまり、 ｒｌＯＦＦ＜　Ｉ＋　＜　Ｉ＋ｏｗ なる電流バイアス１１　　においては、双安定半導体レ
ーザ１１は、光出力が小さいオフ状態３１と光出力が大
きいオン状態３２とをそれぞれ安定にとり得る性質を有
している。光出力の上記ヒステリシス特性は電流バイア
ス（注入電流）に対してのものであるが、双安定領域に
電流バイアスを固定しておくと、光メモリ動作が可能で
ある。即ち、第４図において、双安定領域（１＋ｏ□〜
Ｉ＋ｏｘ　）に電流バイアスｈを固定して、オフ状態に
ある双安定半導体レーデに外部から充分強い光パルスを
注入すると、この光パルスによってオフ状態３１からオ
ン状！３３２になり、上記光パルスが途絶えても、電流
バイアスＩｔ　がＩ　ｌ０ＦＦよりも小さくなるまでオ
ン状態３２がそのまま維持され、光入力に対するメモリ
動作を行うことができる。尚、以下の説明では、双安定
半導体レーザがオフ状態３１にあるときには、その自然
発光光出力を無視して光出力が零であるとして説明をす
すめる。

第２図において、１６．１７は双安定半導体レ−ｆｉｌ
がオン状態及びオフ状態からなる２つの安定な状態をと
り得るように、つまり双安定領域となるように双安定半
導体レーザ１に電流バイアスを与える可変電圧源又は可
変電流源である。双安定半導体レーザ１１に対しては、
その活性層の両端面側について光学的な結合が可能であ
るから、その一方からの出力光をフォトダイオード１２
に入射させるようにしておく。フォトダイオード１２に
は通常とおり電圧＃１８により逆バイアスが与えられて
おり、これによりフォトダイオード１２に光が入射した
ときにこのフォトダイオード１２には光電流が生じる。

フォトダイオード１２に生じた光電流ｉＰ　は負荷抵抗
（抵抗値はＲ）１３及び負荷容量（容量値はＣ〉　１４
からなる負荷回路を流れる。この負荷回路における上記
光電流に対する応答信号、即ち負荷抵抗１３及び負荷容
量１４の両端間の電圧信号（高周波信号〉は、コンデン
サ１５を介して双安定半導体レーザ１１の電流バイアス
に加えられる。ここでコンデンサ１５を用いて負荷回路
と双安定半導体レーザを接続しているのは、フォトダイ
オード１２に対するバイアスによるＤＣ成分によって双
安定半導体レーザの動作点が変動することを防止するた
めである。

第５図はフォトダイオード１２に光電流ｉｐ　が生じて
いるときの等価回路図であり、第６図は第２図の回路の
各部の波形図である。波形図において、（ａ）は入力光
波形、（ｂ）は双安定半導体レーザ１１の光出力波形、
（Ｃ）はフォトダイオード１２に生じた光電流の波形、
（イ）はフォトダイオード１２と負荷回路との接続点（
Ａ点）の電位波形、（ｅ）は負荷回路の応答信号が加え
られた双安定半導体レーザ１１の電流バイアスの波形で
ある。

双安定半導体レーザ１１に外部から光パワーがＰＩＮの
入力光パルスが入力すると、双安定半導体レーザ１１は
オフ状態からオン状態に遷移し、レーザ発振を開始する
。この光がフォトダイオード１２に入射すると、フォト
ダイオード１２には光電流ｉ、が流れはじめる。この光
電流ｉｐの応答時間は、負荷抵抗１３の抵抗値Ｒ及び負
荷容量１４の容量値Ｃで定まる時定数ＲＣに比べて充分
小さくなるような領域にあるので、フォトダイオード１
２に流れる光電流については、第６図（Ｃ）に示すよう
にステップ関数的なもので近似的に表すことに本質的な
矛盾は生じない。この場合光電流ＩＰが生じているフォ
トダイオード１２は定電流源とみなすことができるので
、フォトダイオード１２と負荷抵抗１３及び負荷容量１
４とを接続した回路の等価回路図は第５図に示すように
なる。同図において４１は定電流源であり、この定電流
源４１は次式であられされるステップ電流ｉ　　（ｔ）
を流す。

１（ｔ）＝ｉｐ−ｕ（ｔ）　　　　　・　（１）ここで
ｕ　（ｔ）はステップ関数を表す。このとき、抵抗Ｒ及
び容量Ｃの両端に発生する電位差Ｖ（１）は次のように
表される。

ｖ（ｔ）＝　ｉｐ　・Ｒ・（１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）
　）　ｕ（ｔ）　　＝１２）従って、このような前提の
下に双安定半導体レーザ１１が発振を開始し、フォトダ
イオード１２に光電流ｉ、が流れ始めると、第２図にお
けるＡ点の電位は、（２）式に示された関数に従って、
第６図（ｄ）に示すように低下し始める。

ところで、双安定半導体レーザにおける電流−電圧間の
関係は、一般的な半導体レーザにおける場合と同様に、
第７図に（ａ）で示すようになる。この電流−電圧特性
曲線において、発振を開始する前のバイアス点かの点に
あったとすると、同図に（′ｂ）で示すような電位の低
下に伴って、電流１１　は同図に（Ｃ）で示すように低
下する。このときの電圧信号の振幅は、光電流ｌ、及び
負荷抵抗値Ｒによって決めることができるので、この電
圧振幅を充分大きな値に設定しておくと、電流工、はあ
る時間経過後に発振停止しきい値１１ＯＦＦよりも小さ
くなる（同図中■点〉。このとき、双安定半導体レーザ
１１は発振を停止し、同時にフォトダイオード１２に流
れる光電流も零になる（第６図の波形図参照）。これに
伴って、第２図のＡ点の電位は、（２）式に逆符号を付
した式に従って、初期の値に戻る（第６図及び第７図の
■点〉。しかし、双安定半導体レーザ１１はオフ状態に
なったままで、次に入力光パルスが入力するまで発振を
停止している。このようにして、入力光パルスのパルス
幅を、第６図中の■点から■点に至るまでの時間に相当
するパルス幅に拡大して、双安定半導体レーザ１１の出
力として取り出すことが可能となる。尚、前述したよう
に双安定半導体レーザ１１の光出力は活性層から互いに
反対の２つの向きに出力されているので、そのうちの一
方の光をフォトダイオード１２に入射させたとしても、
その反対の方向からパルス幅が拡大された光出力を取り
出すことができる。

双安定半導体レーザ１１が発振を開始してから発振を停
止するまでの時間は、負荷抵抗１３の抵抗値Ｒ及び負荷
容量１４の容量値Ｃにより定まる時定数ＲＣと、双安定
半導体レーザ１１の電圧−電流特性と、電流バイアス条
件とによって定まるが、本質的には上記時定数ＲＣに支
配されるので、一般的には、負荷抵抗及び負荷容量の値
を決定することによって、双安定半導体レーザ１１が発
振を開始してから発振を停止するまでの時間、即ち拡大
された光パルスのパルス幅を決定することが可能である
。

このように、本実施例によると、光パルスが入力すると
オン状態になり時定数ＲＣによって定まる時間だけその
状態を維持する光重安定マルチバイブレータとしての動
作を、光信号の状態で実現できることになる。つまり、
電気的な同期制御を行うことなしに、光フレームから低
速な光クロックを生成したり光パルスのデユーティ比を
拡大することができるようになる。

双安定半導体レーザ１１に帰還させる電圧信号の大きさ
は、光電流ｌ、と負荷抵抗値Ｒの積で定まるが、光電流
ｉ、が小さくて充分な電圧信号を得ることが困難である
場合には、第８図に示すような回路構成とする。この例
では、フォトダイオード１２に生じた光電流が第１の負
荷抵抗５１を流れるようにし、光電流が第１の負荷抵抗
５１に流れたことにより第１の負荷抵抗５１の両端間に
生じた電圧をトランジスタ（電界効果トランジスタ）５
２により増幅するようにしている。電圧信号はトランジ
スタ５２のゲート（Ｇ）に入力され、トランジスタ５２
のドレイン（Ｄ＞にはバイアス電圧−Ｖ、が印加されて
いる。このトランジスタ５２を備えた負荷回路の出力信
号（応答信号）はトランジスタ５２のソース（Ｓ）から
取り出され、これを第２図に示した回路における場合と
同様にして図示しないコンデンサを介して双安定半導体
レーザの電流バイアスに帰還するようにしている。

トランジスタ５２のソース（Ｓ）と接地との間には第２
の負荷抵抗（抵抗値はＲ）５３と負荷容量（容量値はＣ
）　５４が接続されている。この構成による場合、第２
の負荷抵抗５３及び負荷容量５４の値によって出力光パ
ルスのパルス幅を決定することができる。また、双安定
半導体レーザの電流バイアスに帰還させる応答信号の振
幅は、増幅されたソース電流と第２の負荷抵抗Ｒの積に
相当するので、フォトダイオード１２に生じた光電流１
、が小さいときでも充分大きな応答信号の振幅を得るこ
とができる。この場合、光電流の増幅を行わずに負荷抵
抗の値を大きくすることによって応答信号の振幅を増大
させた場合と比較すると、高速特性の劣化を防止するこ
とが可能であるという効果もある。即ち、負荷抵抗の値
を増大させるとこれに伴ってＲＣで表される時定数も増
大して、作り出すことができるパルス幅が大きなものに
限定されるが、光電流についての増幅を行った場合には
、所定の応答信号振幅を得るための負荷抵抗の値は小さ
くて良いので、作り出すことができるパルス幅が大きな
ものに限定されない。

第９図は本発明の実施応用例図であって、光伝送横用光
分岐／挿入ノード装置における光直接分岐装置に本発明
を適用した場合が示されている。

６１は本発明の光単安定マルチバイブレータを用いて構
成される光クロツク発生回路であり、この回路に光フレ
ームパルスが入力されると、そのパルス幅が拡大されて
低速の光クロックが出力される。６２．６５は光カプラ
であり、光伝送路６９を伝送されてくる光データのパワ
ーを２つに分配する。６３は光フレーム抽出回路であり
、光クロツク発生回路６１に対して信号発生のもととな
る光フレームを、先データから抽出するものである。

光伝送路６９を伝送されてきた光データ列は、光カプラ
６２で一部が光フレーム抽出回路６３に入力され、光フ
レームが抽出される。この光フレームは、光タイミング
調整回路６４で光伝送路６９上の所望のデータのビット
に合わせてタイミングを調整された後、光クロツク発生
回路６１に送られる。光クロツク発生回路６１では、タ
イミングが調整された光フレームに基づいて低速な光ク
ロックが作られる。このようにして生成された光フレー
ム及び光クロックは、それぞれ光しきい値素子６６及び
光双安定素子６７へと送られる。

光しきい値素子６６では、光カプラ６５で光伝送路６９
から分離された光データ列中の所望のビット　（例えば
データ「ｌ」）に光フレームを重畳し、しきい値処理に
よって所望のビットのデータだけを取り出す。また、光
双安定性素子６７では、光しきい値素子６６で取り出さ
れたデータに低速な光クロックを重畳し、当該データの
デユーティ比を拡大して、このデータを光加入者端末６
８に送る。尚、光フレーム抽出回路６３及び光タイミン
グ調整回路６４の内部構成については、通常通り構成さ
れる。

このように本発明を適用してノード装置を８１威した場
合、電気信号による同期処理が不要である。

その結果、扱う信号が大容量化した場合に、装置が大規
模化或いは複雑化することを防止することができ、また
、大容量化に伴って処理速度が制限を受けることが防止
される。

第９図の例では、光単安定マルチバイブレータをノード
装置内の光クロツク発生回路として用いているが、第１
０図に示すように、光単安定マルチバイブレータをデユ
ーティ比拡大回路７１として用いるようにしても良い。

即ち、光しきい値素子６６において光フレームによって
抽出された狭いパルス幅の光データを直接デユーティ拡
大回路７１に入力し、上記光データのパルス幅（デユー
ティ比〉を拡大して光加入者端末７２に送るようにして
も良い。この構成による場合、低速な光クロックは生成
されないので、この構成は、光加入者端末７２が低速な
光クロックを必要としていない場合に装置構成を簡略化
する上で有効である。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、光信号列から抽出
された光フレームをもとに低速な光クロックを生成する
用途や光パルスのデユーティ比を拡大する用途等に用い
られる新規な光単安定マルチバイブレータの提供が可能
になるという効果を奏する。よって、この発明は光信号
を電気信号に変換することなく処理することができる全
光処理型の伝送処理ノードの実現に寄与するところが大
きい。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の原理ブロック図、 第２図は実施例回路図、 第３図は双安定半導体レーザの構成を示す図、第４図は
双安定性の説明図、 第５図はフォトダイオードに光電流が生じたときの等価
回路図、 第６図は第２図の回路の波形図、 第７図は実施例動作説明図、 第８図は他の実施例回路図、 第９図は本発明の実施応用例図、 第１０図は本発明の他の実施応用例図、第１１図は従来
技術の説明図である。 １．１１・・・双安定半導体レーザ、 ２．１６．１７・・・可変電圧源又は可変電流源、３．
１２・・・フォトダイオード、 ４．１８・・・電圧源、 ５・・・負荷回路。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）双安定半導体レーザに入力光パルスが入力したと
   きに該入力光パルスのパルス幅よりも大きいパルス幅を
   有する出力光パルスが上記双安定半導体レーザから出力
   する光単安定マルチバイブレータであって、 双安定半導体レーザ（１）と、 該双安定半導体レーザ（１）がオン状態及びオフ状態か
   らなる２つの安定な状態をとり得るように上記双安定半
   導体レーザ（１）に電流バイアスを与える可変電圧源又
   は可変電流源（２）と、 上記双安定半導体レーザ（１）の出力光の一部を受光す
   るフォトダイオード（３）と、 該フォトダイオード（３）に逆バイアスを与える電圧源
   （４）と、 上記フォトダイオード（３）に生じた光電流が流れる負
   荷回路（５）とを備え、 該負荷回路（５）における上記光電流に対する応答信号
   を上記電流バイアスに帰還して、入力光パルスの入力に
   よりオン状態となった上記双安定半導体レーザ（１）を
   オフ状態にすることを特徴とする光単安定マルチバイブ
   レータ。
2. （２）上記負荷回路（５）は上記光電流が流れる負荷抵
   抗（１３）及び負荷容量（１４）を備えており、該負荷
   抵抗（１３）及び負荷容量（１４）の値によって出力光
   パルスのパルス幅が決定されることを特徴とする請求項
   １に記載の光単安定マルチバイブレータ。
3. （３）上記負荷回路（５）は、上記光電流が流れる第１
   の負荷抵抗（５１）を備えており、かつ、該第１の負荷
   抵抗（５１）の両端電圧をトランジスタ（５２）により
   増幅するものであることを特徴とする請求項１に記載の
   光単安定マルチバイブレータ。
4. （４）上記トランジスタ（５２）の出力には第２の負荷
   抵抗（５３）及び負荷容量（５４）が接続されており、
   該第２の負荷抵抗（５３）及び負荷容量（５４）の値に
   よって出力光パルスのパルス幅が決定されることを特徴
   とする請求項３に記載の光単安定マルチバイブレータ。
5. （５）上記応答信号の上記電流バイアスへの帰還はコン
   デンサ（１５）を介してなされることを特徴とする請求
   項２乃至４のいずれかに記載の光単安定マルチバイブレ
   ータ。