JPH04123482A - 光伝送装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は低コスト化を図ったディジタル光伝送装置に関
する。

（従来の技術） 光伝送装置は高速、長距離通信装置として重要な地位を
占めている。特に光源として半導体レーザを用いた場合
、電気による信号伝送では実用化困難な数ギガビットの
伝送が数十キロメートル以上の距離で実用化できるに至
うている。

近年、このような光伝送装置の高速性や、あるいは本来
の特徴の一つである耐電磁障害性等に着目し、近距離の
信号伝送においても光伝送を適用しようとする試みがな
されている。例えば高速ディジタル機器等のボード間や
架間等に光伝送を導入し、主要処理部門をギカビットク
ラスで信号伝達させる試みがある。このような信号伝送
では伝送距離がそれほど長くはなく、例えば架間伝送の
場合で最長１０ｍ　−１００ｍ程度と光伝送装置の能力
からはほとんど問題の生じない距離である。電気による
信号伝送においても、このような高速伝送は不可能では
ないが、しかしながら数ギガピットの信号をｌＯｍ程度
伝送する場合であっても容易に実用できる技術ではない
。これは即ち、電気による信号伝送では信号線路の損失
や誘導雑音、又は接地線を接続するこによるループ雑音
等が問題となり安く、また、ギヤビットクラス伝送の可
能な電気ケーブルが大型化するため接続ライン数や実装
形態に制限が加わり易い等の理由による。

このような事情により、高速コンピュータ画像情報処理
機器等の高速ディジタル機器においてほとんど必然的に
光伝送装置の導入が検討されている。しかしながらこの
ような目的で光伝送装置を導入しようとした場合、その
装置価格が大きな障害となっている。以下、従来の光伝
送装置について価格低減が困難な事情を説明する。

一般の幹線系、光伝送装置においてはギガビット毎秒ク
ラスの信号伝送に光源として半導体レーザがもちいられ
ている。ギガビットの信号伝送は発光ダイオード（Ｌｉ
ｇｈｔ　Ｅｍｉｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ、以下ＬＥＤと記
す）によっても可能であるが、ＬＥＤにおいては応答速
度の主支配要素かキャリアの寿命時間である、このキャ
リア寿命を短縮するために高濃度の不純物添加等の操作
を行う必要がある。この場合キャリア寿命が短くなるた
め必然的にその発光効率は低下する。また、キャリア寿
命の短縮化操作は再現性の確保が困難であり、ＬＥＤを
用いた場合の実用的システムは数百メガビット毎秒程度
の伝送速度になっている。一方、半導体レーザを用いた
場合、誘導放出による応答速度向上が容易であり、数ギ
ガビット毎秒の光伝送装置では半導体レーザを光源とす
るのが一般的である。しかしながら半導体レーザを光源
とする場合その装置価格の低減が困難であり、前述した
ような高速ディジタル機器への適用が難しい。その主な
原因として、半導体レーザの特性不安定性がある。第７
図に半導体レーザの特性例を示す。図の特性折れ曲り点
はしきい電流と呼ばれ、半導体レーザが動作を開始する
境界点である。

半導体レーザは温度によりそのしきい電流が変動し易く
、一般には自動的に光出力を制御するＡＰＣ（＾ｃｔｏ
ｍａ＋ｉｃ　Ｐｏｗｅ「Ｃｏｎｔｒｏｌ　、以下ＡＰＣ
と記す）回路が必要であり、モニタフォトダイオード、
比較較正回路等を必要とする。また半導体レーザは自己
の発した光が反射により帰還されると動作の不安定性を
引き起こし易い。このような特性不安定性により半導体
レーザを用いた装置ではＡＰＣ回路のような付加機構や
、光学系の無反射処理等の特別な付加部品を必要とし、
また、これらの組立て調整を精密に行う必要があるため
半導体レーザ素子の価格に比し周辺部及びその組立て調
整費用が膨大な価格となる。

ここで前述したような高速ディジタル機器への適用を目
的とした場合、その伝送距離が短いことを考慮した低価
格化が可能である。即ち、短距離伝送の場合送信光出力
が幹線系光伝送装置はど大きい必要はなく、従って光学
系の大幅な簡略化が可能であり、また、半導体レーザの
出力光を一部だけ光ファイバに導入すれば良いため、半
導体レーザと光ファイバを直接結合させて用いることが
可能になる。このため、光学系に特別なレンズ等を用い
る必要がなく、半導体レーザと光ファイノくを適度な距
離をおいて直接結合させれば良いため光学部品コスト及
びその調整コストの大幅な低減が可能になる。また、半
導体レーザからの出力光は２０°〜３０°程度の拡がり
角をもつため光ファイバの位置合せトレランスに大きな
許容幅が得られるようになる。このため精密な位置合せ
が不要になり、組立時の調整が粗調整で良いため組立コ
ストの低減も可能になる。

このように短距離用光伝送装置では光学系に関する低価
格化が可能であるが、しかし依然として温度による特性
変動は解決されていない。そこで温度による特性変動を
抑圧する方法として、半導体レーザのしきい電流を非常
に小さくして駆動電流をしきい電流に対して相対的に大
きくする方法が試みられている。例えば半導体レーザの
しきい電流を５　ｍ　Ａ以下まで低減し、駆動電流を５
０ｍ　Ａ以上とすればしきい電流の温度による変動は実
質的に無視することができる。この方法では前述したＡ
ＰＣ回路等の付加部品を削減でき、またそれ；こ什ｒ（
う回路的調整作業を省くことができる。このように低し
きい値電流の半導体レーザを用い、短距離伝送に用途を
限定した光伝送装置が実用化されれば従来の光伝送装置
にはない大幅な低コスト化が図れ、超高速ディジタル機
器の実現が容易となって産業上の貢献は非常に大きい。

しかしながら上記のような光伝送装置では実用士別の問
題が生じるという困難があった。即ち、低しきい値電流
の半導体レーザを用いてＡＰＣ回路専の付加回路を省い
た場合、必然的に半導体し・−スのバイアス制御ができ
なくなり、所謂零バイ２メス変調を行わなければならな
い。この零バイアス変調においてはよく知られた発振遅
れ時間が問題２号なる。第８図は半導体レーザのパルス
変調光１１１力を模式的；こ示したものであり、破線で
示した波形はしきい電流近傍又はそれ以上に直流バイア
ス電流を加えた場合の一般的変調波形、実線は直流バイ
アス電流を加えない場合の変調波形である。

図から分かるように所謂零バイアス変調においてはｌ、
きい電流値及び駆動電流値及び駆動電流値が関与した立
上り部での発振遅れを生しる。この発振遅れはしきい電
流値相当のキャリア充満が行われるまでの時間と考えれ
ば良く、単一パルスによる変調の場合はぼ同じ値となる
。実際の信号の場合、パルス列の並びはランダムとみな
す必要がありパルス列のパターンによって発振遅れ時間
が変動することも知られている。この原因は前のパルス
が“０”が“１”かにより半導体レーザ内に残る残留キ
ャリアのレベルが変動することにある。

このため残留キャリアの多い場合は等価的に直流バイア
スを与えておいた場合に近くなり、発振遅れ時間が短く
なるのに対し、残留キャリアが少い場合純粋な零バイア
ス変調に近くなり発振遅れ時間が長くなる。この現象は
パターン効果と呼ばれ、零バイアス変調における立上り
ジッタとして知られている。この立上りジッタは伝送信
号の識別誤りを引き起こし、光伝送装置の信頼性を低下
させる大きな問題であった。

従来、このような立上りジッタを防止するためパルス変
調信号の立上り部に短いパルスを付加する方法やパルス
変調信号の立下り部にアンダーシュートを加えて強制的
に残留キャリアを引出す方法がとられていた。しかしな
がら従来このような方法を用いるため半導体レーザの駆
動回路が複雑化し、結果として光伝送装置の価格を再び
上昇させるという逆効果を生じていた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明はこのような従来技術の問題を考慮して成され、
非常に単純な付加要素により零バイアス変調による立上
りジッタを減少させ、また受信回路での立上りジッタの
影響を抑制して高品質信号伝送を可能としながら非常に
低価格な光伝送装置の提供を目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明では半導体１ノーザの零バイアス変調を行う際、
半導体レーザへの入力パルスの立上り微分信号をパルス
に合成してパルス変調を行う。また、その光受信におい
ては光パルス立下り部での立下り微分信号を形成し、立
下り微分信号を用いＣ受信状態の設定を行うものである
。

（作用） 本発明によれば非常に単純な付加要素により半導体レー
ザ零バイアス変調における立上りジッタを抑制するため
装置価格の上昇を抑えながら高性能な光伝送装置が実現
でき、また、光受信において光パルス立下り部の微分信
号を用いて受信状態の設定を行うためほぼ同等の装置価
格のままで半導体レーザ零バイアス変調による伝送品質
の低下を抑制することができる。

（実施例） 以下図面を参照しながら本発明実施例の説明を行ってい
く。

第１図は本発明の第１の発明の光伝送装置の光伝送部を
示す構成ブロック図である。１は半導体レーザ、２は駆
動回路、３は微分回路、４は半波整流回路、５は入力バ
ッファー回路、６は信号入力端子である。それぞれの機
能としては、バッファー回路５は入力信号線路又は信号
発生回路に対して入力インピーダンスの整合を行い、駆
動回路２、微分回路３の影響を逆流させないためのもの
であり、例えばインピーダンス変換回路や緩衝増幅器を
用いる。微分回路３は入力パルス信号の微分信号を発生
させるものであり、ＣＲ回路、ＬＲ回路等を用いて最小
パルス幅以下の時定数、例えば最小パルス幅の１／４以
下の時定数に設定する。半波整流回路４は入力パルス微
分信号の一方を取出す回路でありダイオードやトランジ
スタのベース入力特性を利用して半導体レーザ入力パル
スの立上り部に相当する極性の微分信号を取り出す。駆
動回路２は半導体レーザの駆動信号発生器であり、入力
パルス信号を半導体レーザの駆動レベルの信号に変換す
る。また駆動回路２は入カルス信号に応じた駆動信号の
発生と同時に半波整流回路４の出力を合成して出力する
ように構成し、例えば差動増幅回路の一方の入力端子に
入力パルス信号を印加し、逆位相の入力端子又は定電流
発生部に半波整流回路出力を接続する。第２図は第１図
構成における主要部信号波形を模式的に示したものであ
る。第２図（ａ）は入力パルス波形又はバッファー回路
出力波形、同図（ｂ）は半波整流回路４の出力波形で破
線は微分回路３の出力波形のうち半波整流回路で除去さ
れた波形、同図（ｃ）は駆動回路２から出力される波形
、同図（ｄ）は半導体レーザ１からの光出力波形である
。

これらの図から明らかなように、本発明では入力パルス
に立上り微分信号を合成して半導体レーザの駆動を行う
。勿論このとき半導体レーザ１への直流バイアス電流は
与えず、バイアスフリーでの駆動を行う。この結果本発
明実施例の光伝送装置では半導体レーザ１の駆動がバイ
アスＡＰＣを用いない駆動となり、しかも極簡単な回路
付加により半導体レーザ駆動信号の立上り部に短いパル
スを付加することができる。従って半導体レーザの立上
り部の電流拡幅が大きくなり零バイアス変調による発振
遅れ時間短縮が容易でありパターン効果による立上りジ
ッタを最小限に抑制することが可能となる。また、信号
立上り部に付加する短いパルスが微分信号であるため、
半導体レーザのキャリア寿命に起因する内部キャリア密
度の立上り時定数を打ち消すように微分信号時定数を設
定することが可能である。この場合、実質的な半導体レ
ーザ内部キャリア密度立上り時間を直流バイアス電流が
与えられている場合と同等にすることができる。ここで
第１図に示した本発明実施例が極簡単な回路付加により
実施できることを具体的に示す。第３図は第１図実施例
の微分回路３、半波整流回路４を具体化した回路構成図
である。第３図３の微分回路はＣＲ微分器、４の半波整
流回路はダイオードで構成できる。これらの回路素子は
特に外部付けする必要がなく、集積化が容易な素子であ
るため駆動ＩＣとして１つのＩＣチップ内に設けること
ができる。また、バッファー回路５は通常の駆動回路に
おける入力バッファースイッチ回路をそのままま用いれ
ば良く、本発明のため特に新しく設けるのではなく、実
用的に用いられている通常の半導体レーザ駆動回路の一
部である。

従って、本発明の実施には回路設計の際、受動素子をわ
ずかに付加するだけで良く、大幅な回路変更等は不要で
ある。

次に、本発明の第２の発明について実施例を示す。第４
図は本発明光伝送装置の光受信部を示す構成ブロック図
である。７は受光素子でたとえばＰＩＮフォトダイオー
ド、８は前置増幅器で例えばトランスインピーダンスア
ンプ、９は主増幅器、１Ｇはディジタル信号再生のため
の識別回路、１１は微分回路、１２は半波整流回路、１
３は受信レベル検出回路で識別回路ＩＯのしきい信号レ
ベルを制御する機能をもつ。またＩ４はデータ出力端子
である。

この実施例では１３のレベル検出回路と１０の識別回路
により識別レベルを自動制御する所謂自動しきい値制御
（Ａｕｌｏｍ＊ｊｉｗ　Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　Ｃｏｌ＋
ｏｌ　、以下ＡＴＣと記す）回路として機能することが
できる。

このとき微分回路１１及び半波整流回路１２はレベル検
出回路のレベル検出タイミングを発生するものであり、
受信光パルスの立下り部で入力パルスの微分信号を抽出
する。１３のレベル検出回路は半波整流回路１２の出力
に同期してレベル検出を行うようにする。このとき半波
整流回路出力は光信号の“ＯＮ”状態から“ＯＦＦ”状
態に変化するときに発生するためそのままでは“ＯＮ”
状態のレベル検出ができない。そこでレベル検出回路１
３ては例えば小信号パルス周期より短いサンプリング周
期（例えば最小信号パルス周期の１／４）でピークホー
ルドを行い、半波整流回路Ｉ２がらの出力があった時点
のホールド値で識別しきい値を決定、出力するようにす
れば良い。このように構成、機能させることにより、識
別しきい値が光信号の立下り直前の値で決定され、以下
のように利点が現われる。即ち、第８図実線で示したよ
うに、半導体レーザの零バイアス変調を行った場合では
前述した発振遅れ時間の他に発振立上り部での光出方の
振動現象が現れ易い。これは半導体レーザ内部で所謂Ｑ
スイッチングが行われ、キャリア密度及び光子密度の急
激な変動が起り、キャリア密度と光子密度の相互作用に
よる所謂緩和振動が現われるためである。この緩和振動
はキャリア寿命程度の時間で収束しておさまるが、この
間先出カがスパイク状に増大することが多い。従ってこ
の緩和振動の現われている時間内に受信レベルの検出を
行うことは誤った受信レベルの検出を行うことが多く、
半導体レーザの零バイアス変調における大きな問題の１
つになっている。第４図に示した本発明実施例では光パ
ルスの立上り部をさけ、光パルス立下り部をトリガとし
て受信レベルの検出を行う。このため本発明の光伝送装
置では半導体レーザが零バイアス変調であることによる
受信誤りを抑制し、通常のバイアスを用いた変調方式と
同等の伝送品質を確保することができる特徴をもってい
る。第５図は第４図実施例による信号波形を模式的に示
したものであり、ランダムなパターンを重ね合わせた所
謂アイパターンで示しである。

第５図（ａ）は主増幅器からの出力波形、同図（ｂ）は
半波整流器出力であり実線が出力波形、破線は除去され
た立上り部微分波形値同図（ｃ）は１４からの出力波形
である。第５図（ａ）かられかるように零バイアス変調
を行った半導体レーザ出力を受信した場合、光パルス立
上り部で発振遅れ時間のパターン効果による立上りジッ
タや緩和振動による信号スパイクが現われている。

この光パルス立上り部をさけてレベル検出することで適
正なレベル検出を行えることが理解されるであろう。な
お、第４図実施例では半波形整流回路１２の出力をトリ
ガとしてレベル検出を行ったがこれは半波整流回路１２
の出力を平均化して行ってもよい。また第５図（ｂ）が
ら分がるように半波形整流回路１２の出力は安定な周期
性をもっており、受信タイミングやクロック等の抽出に
利用することもできる。

第６図は本発明実施例の他の例を示す構成ブロック図で
あり、ここでは主増幅器９′の利得制御を第４図実施例
と同様な原理で行った実施例である。またこの実施例に
おいては微分回路１１の出力を半波整流回路１２と１５
に分配し、全波整流回路１５の出力をタイミング抽出回
路１６へ入力して識別タイミングの抽出を行う例を付加
しである。

このような構成ではクロックの再生も容易であり、クロ
ック出力端子１７を設けることも可能である。

以上説明してきたように本発明では半導体レーザの零バ
イアス変調を行っても通常のバイアス方式の変調の場合
と同等の伝送品質の確保が可能であり、短距離光デイジ
タル伝送装置として前述した光学系の簡略化と合せて部
品コスト、組立てコスト、調整コストを大幅に削減して
非常に低価格な高速光伝送装置が実現できる特徴をもっ
ている。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
例えば第１、第２の発明を同時に併用できることは勿論
、それぞれの詳細回路、仕様部品等について各種の応用
が可能なことは述べるまでもないことである。

［発明の効果］ 本発明は半導体レーザを光源とする高速光伝送装置の大
幅な低コスト化に有効であり、超高速°ディジタル機器
等の構築が容易となるための産業上の貢献度が高いとい
う効果をもっている。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明実施例に関する図、第７図、
第８図は従来技術及び半導体レーザの−般的特性を説明
するための模式図である。 １・・・半導体レーザ、２・・・駆動回路、３．１１・
・・微分回路、４．１２・・・半波整流回路５、入力バ
ッファー回路、７・・・フォトダイオード、８、前置増
幅器、９．主増幅器、１０．・・・識別回路１３、・・
・レベル検出器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザを光源とし、該半導体レーザへの直
   流バイアス電流を与えずにパルス信号変調を行う光伝送
   装置において、前記半導体レーザへ入力するパルス信号
   の立上り微分信号を形成するとともに該立上り微分信号
   と前記半導体レーザへ入力するパルス信号を合成し、該
   合成した信号により前記半導体レーザのパルス信号変調
   を行うことを特徴とする光伝送装置。
2. （２）半導体レーザを光源とし、該半導体レーザへの直
   流バイアス電流を与えずにパルス信号変調を行う光伝送
   装置において、光受信部で光パルス立上り部に相当する
   立下り微分信号を形成するとともに該立下り微分信号を
   用いて受信条件の設定を行うことを特徴とする光伝送装
   置。