JPH04502217A - 位相変調 - 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】 位　相　変　調 〔技術分野〕 本発明はレーザ増幅器の変調、特に位相変調に関する。

〔発明の背景〕

現在、コヒーレント光伝送システムの開発に多大の注意が払われている。このよ うなシステムでは位相変調の使用が望まれており、そのため、ニオブ酸リチウム 位相変調器を用いたシステムが多数提案されている。ニオブ酸リチウム変調器の 欠点は数ｄＢの挿入損失があることであり、この損失を補償するため、変調後に 信号を増幅する必要がある。このような増幅のためには進行波増幅器または疑似 進行波増幅器が使用されるが、変調器と増幅器との双方を使用する必要があるた め、価格および感度の点で問題があった。

本発明はレーザ増幅器の直接変調による位相変調を提供することを目的とする。

〔発明の開示〕

本発明は、光入力、光出力および注入バイアス電流入力を有する進行波レーザ増 幅器を備え、この進行波レーザ増幅器のバイアス電流に変調信号を重畳すること により位相変調光出力を得る位相変調器が提供される。

本発明はまた、光搬送波信号源と、情報信号源とを備え、光搬送波信号が進行波 レーザ増幅器に入力さね、情報信号を入力してレーザ増幅器の少なくとも活性領 域の屈折率を変調することにより位相を変調する位相偏移変調（位相シフトキー イング）光信号変調装置が提供される。

本明細書において「光」とは、可視スペクトラムの波長およびその近傍の波長だ けでなく、半導体素子により生成または検出される波長を含むものとする。

「進行波増幅器」とは、レーザ共振器内への反射を最小にするための反射防止膜 が両端面に設けられたタイプのレーザ増幅器をいう。また、この「進行波増幅器 」という用語は、端面に反射が残ってるいわゆる「疑似進行波増幅器」を含むも のとする。端面に反射が残っていると、典型的には３ｄＢの利得リップルが生じ る。しかし、利用分野によってはそれより大きい利得リップルを許容できるので 、「進行波増幅器」という用語は、利得リップルの最大値が３ｄＢであるものに 限定されるものではない。

図１は本発明の望ましい実施例を示す変調回路のブロック構成乳図２は本発明の 実施例による変調周波数に対する位相偏移を示す図。

図３はレーザ増幅器のバイアス電流に対する屈折率の実数部の変化と虚数部の変 化との比αおよび利得を示すグラフ。

図４はレーデ増幅器のバイアス電流に対する振幅変調度ｍおよびαを示すグラフ 。

図５はレーザ増幅器のバイアス電流に対するαおよび位相変調度を示すグラフ。

〔発明を実施するための最良の形態〕

半導体レーザ増幅器では、入力光信号に応答して電子と正孔とが再結合すること により出力パワーが得られる。増幅器のキャリア密度は印加バイアス電流の関数 で表さね、そのバイアス電流は、最大帯域幅を得るため、典型的にはレーザ発振 しきい値の約７０％に設定される。半導体材料のキャリア密度の変化はまた、屈 折率の変化をもたらす。本発明では、屈折率を変調して進行波増幅器からの出力 信号を位相変調するためにバイアス電流を変調することにより、進行波レーザ増 幅器を位相変調器として使用できる。

最初に、この技術には制限があることを述べておく。すなわち、バイアス電流の 変化により出力の振幅変調（強度変調）も引き起こされ、最終的な受信機におい て複雑な問題が生じる。また、レーザ発振状態では光子レベルが高いことによる 誘導放出によって少数キャリアの寿命が短くなるのに対し、進行波または疑似進 行波レーザ増幅器内では、光子レベルおよび誘導放出が低くなり、放射とは無関 係の効果によってキャリアの寿命が左右される。このため、変調周波数として使 用できるのはＩＧＨｚ以下であると予想される。

図１は本発明によりレーザ増幅器を位相変調するための試験回路の構成を示す。

この回路は送信レーザ１、レーザ増幅器２およびバイアスＴ回路３を備え、この バイアスＴ回路３では、変調バイアス電流が入力線４に入力さね、それを入力線 ５から入力された直流バイアス電流に重畳し、結合変調されたバイアスを整合抵 抗９を介してレーザ増幅器に供給する。送信レーザの出力は二方向結合器６を通 過し、そこで送信レーザ出力がモニタされる。多くの部品には一般に偏光依存性 があるので、この回路の６枝には偏光調整器７が設けられる。偏光依存性のない 部品を用いる場合には、偏光調整器７は不要である。レーザ増幅器２の入出力お よび送信レーザの出力は光アイソレータ８に供給される。レーザ増幅器では、直 流バイアスに変調入力が重畳されているために、その内部で屈折率変化が引き起 こされ、出力の位相が変調される。バイアス電流の変調は、増幅器の進行波特性 により、位相変調として出力される。レーザ共振器内の屈折率の変化は、共振器 長に適応する波長（または部分的な波長）の数を変化させる。反射端面が設けら れたレーザでは、この変化により定在波が変化し、出力波長が変化する。しかし 、進行波増幅器では、波が増幅器の外に連続的（実質的な反射なしに）に伝搬し 、その出力光は、屈折率変化によって生じる見かけ上の光路長の変化によって位 相が偏移する。屈折率の変化は、注入電流の変調によって活性層全体にわたり引 き起こされるが、閉じ込め領域にもいくらか変調が生じる。

レーザ増幅器に至るまでの経路におけるこの装置の損失はそれほど大きくはなく 、ニオブ酸リチウム変調器を使用した装置における１０ｄＢ以上という値に対し て、送信レーザとレーザ増幅器との間にアイソレータを配置した理想的な装置で は総損失がたぶん２ｄＢ程度となる。このため、増幅器を最大の利得で動作させ る必要はなく、ある種の利用分野では、利得が飽和するように直流バイアスと入 力光パワーとを適当に設定することが望ましい。光パワーが小さく利得が飽和し ていない場合に可能な利得１３ないし１５ｄＢに比較して、利得を飽和させた場 合の増幅器の利得は４ｄＢ程度である。飽和状態での変調には二つの利点がある 。その第一は、飽和と比較的低利得なこととにより、出力強度が変調信号による 小さなバイアス変化の影響を比較的受けず、残留する振幅変調成分が小さくなる ことである。第二は、飽和状態における誘導放射のレベルが大きいので、キャリ アの寿命が短く、変調周波数応答が高速となることである。

図１に示した構成で試作した変調回路を試験した。送信レーザ１は微細格子外部 共振器レーザであり、１５３０ｎｍで約１００ｋＨｚのスペクトル線幅をもち、 レーザ増幅器に対して一１９ｄＢｍの入射光強度を与えた。インジウム・ガリウ ム・ヒ素・リン系のレーザ増幅器２は、２５ｍＡのバイアス電流を使用して、フ ァイバ・ファイバ間で４ｄＢの利得を生じた。レーザ増幅器の両端面には単層反 射防止膜が設けられ、残留反射率は０．３％以下であった。

入力変調バイアスとして正弦波変調を使用し、走査ファブリ・ペロー干渉計を用 いてレーザ増幅器からの出力変調波を観測したところ、位相変調が変調側波帯の 相対強度の変化として観測可能であった。残留振幅変調成分についても、変調側 波帯の強度の対称性として観測した。

しきい値に達しない状態でのキャリア密度に対する屈折率の依存性が、ｄｎ／ｄ Ｎ＝−ＩＸＩＯ−”　Ｃｍ３ ただし、 ｎは屈折率 ＮはＣｍ３あたりのキャリア数 で表されると仮定し、注入電流Ｉに対するキャリア変化の速度の経験的な値ｄＮ ／ｄ　Ｉ＝８ｘ１０”ｃｒｎ’ を用いると、注入電流に対する屈折率の依存性が、ｄｎ／ｄ　Ｉ＝−８Ｘ１０− ’ｍＡ−’となる。長さＬ＝５００μｍの増幅器では、波長λ。＝１５００ｎｍ で位相がπだけ偏移するのに必要な電流変化は、 工π＝（λｏ／　２　Ｌ）　／　（ｄ　ｎ／　ｄ　Ｉ）　＝　１．、９ｍＡとな る。したがって、バイアス電流を２ｍＡ程度変調することにより、１８０゜の位 相偏移が得られる。

図１の回路を用いた実験では、予想されるより大きな電流変調が必要となり、６ ００ＭＨｚで尖頭値から尖頭値へπだけ位相を偏移ささせるために、２６ｍＡの 変調が必要であった。位相偏移は変調周波数に依存しており、これを図２に示す 。この結果は部品の組み立てを修正して周波数応答特性を高めることにより改善 されるき考えられるが、最適化されていない構成で得られた最初の結果でも、１ ００ＭＨｚないし２ＧＨ２の範囲の変調周波数に対して、ｍＡあたり０．１　な いし０．３　ラジアンの優れた位相変調特性が示された。

残留振幅変調成分は、ベッセル関数 Ｅ（ｔ）　＝Ｅａ　（１＋ｍ−５ｉｎ（Ｗ、ｔ）　）　ｓｉｎ［Ｗ、を十Δφｓ ＋ｎ（Ｗｅｔ）］ただし、 Ｅは変調された信号の電界強度 ｍは振幅変調度 Δφは位相偏移 Ｗ、は変調周波数 を用いて測定値から計算した。最悪の場合の振幅変調度は、ｍ＝０．６５５　（ （Ｒ−１）／　（Ｒ＋１）Ｅで与えられる。ここで、Ｒは下側波帯強度に対する 上側波帯強度の比である。

これらの式を走査ファブリ・ベロー干渉計で観測したスペクトラムに当てはめた ところ、６００ＭＨｚの変調周波数で２６ｍＡの電流変調により尖頭値間のπの 位相偏移を行った場合に、＋　７　ｄ　Ｂｍの変調パワーに０．０５程度の残留 振幅変調成分が示された。

これらの結果から、進行波増幅器を飽和状態で変調することにより、予想される より高い変調周波数を利用でき、振幅変調成分を削減できることが示された。

比較的低い周波数（例えばＩＧＨｚ以下）で変調を行うような分野、およびまた は大きな振幅変調成分を許容できるような分野のように、利用分野によっては、 増幅器をより高利得で動作させることもでき、飽和利得状態以外でも動作させる ことができる。

端面反射率は低いことが必要であるが、本発明者らは、幾らかの残留反射、例え ば０．１　ないし０．３％の反射が残っているほうがよいことを発見した。特に 、本発明者らは、増幅器のバイアス電流に対して線形に変化する位相変調に対し て残留振幅変調成分の周期的変化があることを発見し、これにより、バイアス電 流に対する振幅変調特性が小さくなる点で増幅器を動作させるような適当なバイ アス電流レベルを選択するだけで、振幅変調成分を予想されるより低レベルにで きることを発見した。

この現象を図３．４および５に示す。図３には、バイアス電流に対してパラメー タαが周期的に変化し、その一方で利得が増加することを示す。αは、屈折率の 実数部の変化と、屈折率の虚数部（利得または損失）の変化との比として定義さ れる。図４に示したように、大きなαは強度変調成分のレベルが小さいことに対 応する。図４において、ｍは振幅変調度であり、５０％すなわち３ｄＢの光パワ ー変化がｍ＝０．５　となる。図５は、αの値を位相変調度と共に示す。位相変 調度はバイアスの増加に伴って単調に減少する。

さらに望ましい実施形態として、変調レーザ増幅器の出力と出力信号が放射（通 常は光ファイバに向けて）されるポートとの間に利得飽和領域を設け、この領域 を通過させることにより送信された振幅変調成分をさらに削減することができる 。利得飽和領域または利得飽和素子は、光リミッタとして動作する。利得飽和領 域は、飽和状態で動作する別個のレーザ増幅器でもよいが、変調レーザ増幅器を 含むモノリシック集積素子の領域として形成されることが望ましい。このような モノリシック集積素子では、導波層が連続していることが望ましく、その上（基 板から離れた側）のコンタクト層が分割されて、二つの素子部分に独立に制御電 流を供給できることが望ましい。このような素子を用いる場合に、典型的には、 変調部を高レベルにバイアスし、その一方で制限部（変調部の「下流」）は、か なり低レベルにバイアスして飽和状態で動作させる。二つの別個の素子、すなわ ち集積化されていない素子を用いる場合にも、同様のバイアス方法を用いる。

変調レーザ増幅器の波長を光源に正確に一致させることは不要であり、変調素子 の利得帯域内に光源の波長があれば十分である。

堅、 ラジアン／ｍＡ 事樹君 ミ 罵 ℃ 国際調査報告 ｍ−１−−−Ａ＃ＩＩｍ鋤Ｌ　ＤＭＩＧＲＩＩＱ／ＱＩＳＱＯ国際調査報告 ＧＢ　８９０１５００ Ｓ＾　３３０８９

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．光入力、光出力および注入バイアス電流入力を有する進行波レーザ増幅器を 備え、この進行波レーザ増幅器のバイアス電流に変調信号を重畳することにより 位相変調光出力を得る位相変調器。
2. ２．レーザを飽和状態で動作させる請求項１記載の位相変調器。
3. ３．レーザ増幅器は、注入バイアス電流の変化により生じる光出力の残留振幅変 調成分に周期的変化を生じさせる残留端面反射を有する請求項１記載の位相変調 器。
4. ４．端面反射率は０．１％以上０．３％以下の範囲である請求項３記載の位相変 調器。
5. ５．請求項１ないし４のいずれかに記載の位相変調器を備えた位相偏移変調光通 信装置。
6. ６．請求項３または４に従属する請求項５に記載の位相偏移変調光通信装置にお いて、レーザ増幅器を駆動電流に対する振幅変調のグラフの最小点またはその近 傍に対応するバイアス電流で動作させる位相偏移変調光通信装置。
7. ７．光搬送波信号源と、情報信号源とを備え、光搬送波信号は、進行波レーザ増 幅器に入力されへ情報信号を変調のための電気信号として入力することによりレ ーザ増幅器の少なくとも活性領域の屈折率を変調してそのレーザ増幅器内のキャ リア密度を直接に変調することにより位相が変調される位相偏移変調光信号変調 装置。
8. ８．光搬送波信号源はレーザを含む請求項７記載の変調装置。
9. ９．キャリア密度がレーザ増幅器のバイアス注入電流を変調することにより変調 される請求項７または８記載の変調装置。
10. １０．レーザ増幅器に入力される光信号のパワーはレーザ増幅器の利得が飽和す るように調整される請求項７ないし９のいずれかに記載の変調装置。
11. １１．レーザ増幅器に供給される直流注入電流はそのレーザ増幅器の利得が飽和 するように調整される請求項７ないし１０のいずれかに記載の変調装置。
12. １２．光搬送波信号を進行波レーザ増幅器に入力し、このレーザ増幅器の注入電 流バイアスに変調信号を印加してそのレーザ増幅器の少なくとも活性領域の屈折 率を変調して前記搬送波信号を位相変調する光信号の位相偏移変調方法。
13. １３．増幅器に入力される光信号の強度はその増幅器の利得か飽和するように設 定される請求項１２記載の変調方法。
14. １４．飽和はレーザ増幅器の注入電流の直流レベルを調整することにより達成さ れる請求項１３記載の変調方法。