JPH08510570A - 光電半導体変調器と該変調器を含む光リンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 制御電圧に対応して、光波（１２）にそれぞれ減衰と位相差とを同時にもたらす、連続する２つのセグメント（ＳＡ、ＳＤ）を含む光電半導体変調器。この２つのセグメントは同一の多重量子井戸構造に属する。制御発生装置（４）は、光波（１２）に印加するための、前記減衰設定値（Ａ）と前記位相差設定値（Ｄ）の異なる２つの組合せの形の、それぞれ異なる２つの制御電圧（ＭＡ、ＭＤ）の交流成分を発生する。この制御発生装置はさらに、この２つの組合せが光波に減衰（Ａ）と位相差（Ｄ）を有効に加えられるように選択した異なる２つの値をもつ制御電圧の直流成分（ＶＡ、ＶＤ）を発生する。本発明はとくに、高伝送速度の光リンクの実現に応用される。

Description

【発明の詳細な説明】 光電半導体変調器と該変調器を含む光リンク 本発明はとくに、λ＝１．５μｍにおいて１０Ｇｂｉｔ／ｓなど高い伝送速度 で情報を伝送することが可能な光ファイバリンクに関する。 このようなリンクを安価に実現するには、λ＝１．３μｍでの色分散が０であ り、比較的安価であるという利点をもつが、同時にλ＝１．５５μｍでは１７ｐ ｓ／ｎｍ／ｋｍと比較的大きな色分散を示すという欠点をもつ、いわゆるＧ６５ ２型の光ファイバを使用する必要がある。リンクの長さがおよそ１００ｋｍを超 えると、色分散により伝送信号に歪みが加えられ、受信時のエラー率が異常に上 昇する。このエラー率の上昇を制限する方法として、光波の振幅変調によって搬 送されるパルス信号に、各パルス上で予備位相歪みと呼ばれる光学的位相変化を 加える方法が知られている。 しかしながら既知の光リンクでは、ファイバＧ６５２などのリンクの波長にお いて妨げとなる色分散を示すファイバの使用と、長い伝送距離と、高い情報伝送 速度と、使用するファイバの色分散を原因とするエラー率の増加に寄与する限り 相反する 予備相歪みとを両立させることはできない。 本発明はとくに、高伝送速度の光リンクのエラー率を低減するため、種々の要 素間の調整をはかることを目的とする。 日本特許出願第３０５７２８５号には、それぞれ光吸収変調器と移相器を備え る、連続する２つのセグメントを含む光電半導体変調器が記載されている。光吸 収変調器セグメントは、振幅だけでなく、それを横切る光波の周波数をも変調し てしまうという欠点をもつ。この欠点を解消するため、移相器セグメントは、光 吸収変調器セグメントによって発生する寄生周波数の変調を補償する位相差を生 じるように制御される。振幅変調に重畳された周波数変調を任意に発生させるた め、補償値を上回ることも可能である。しかしながらこの変調器は、２つのセグ メントが別々の半導体材質から成るため、複雑で製造費が高価であるという欠点 をもつ。本発明は、高速で光波の振幅と位相を変調することが可能な変調器を、 簡単な方法で実現することを目的とする。 これらの目的のため、本発明は、それぞれが光波の減衰と位相差とを同時にも たらす、連続する２つのセグメントを含む光導波路を含む光電半導体変調器であ って、２つのセグメントが それぞれ制御発生装置に接続された制御電極を具備し、２つのセグメントが、そ れぞれ − セグメントの平均吸収係数の変化とこの係数の変化をもたらした制御電圧の 変化の比に等しい、減衰電気感度と、 − 位相差角の変化と制御電圧の変化の比に等しい、位相差電気感度と を有し、 − この減衰電気感度と位相差電気感度の関係が、次式 によって定義される位相−振幅結合係数と呼ばれる係数αで表され、 上式で、ｔは時間であり、ＣＡは平均吸収係数であり、この結合係数は、減衰 セグメントと呼ばれるセグメント内の方が、位相差セグメントと呼ばれるセグメ ント内よりも小さく、 ２つのセグメントが同一の構成を有すること、ならびに減衰セグメント内で位 相差セグメント内よりも小さい結合係数が得られるように、制御発生装置が、２ つのセグメントの電極にそれぞれ異なる直流成分を供給することを特徴とする変 調器を対 象とする。 本発明によれば、減衰セグメントと位相差セグメントの２つのセグメントにつ いて、半導体構造と、それぞれ減衰の設定値および位相差の設定値に等しい減衰 量と位相差を光波に有効に加える２つの異なる組合せによって構成される交流成 分など制御電圧の直流成分とを選択できることが判明した。このような選択は、 多重量子井戸構造の半導体を使用することによって可能となる。 本発明の実施方法は、添付の図を参照しながら下記の非限定的な詳細説明を読 むことにより、より詳細に理解されよう。複数の図に出てくる同一の要素には、 同一の参照番号が付してある。 第１図は、本発明による変調器とその半導体チップの縦断面とを示す図である 。 第２図は、減衰および位相差を実現するために同チップに印加される電圧を横 座標に示した、第１図のチップにより光波に加えられる減衰および位相差の変化 を示すグラフである。 第３図は、第１図の変調器を含む光リンクを示す図である。 第４図は、この光リンクにおける、ある伝送信号の例に、本 発明による変調器の動作を示す図である。 例示する光電半導体変調器は、以下の既知の要素を含む。 − 長手方向に光波を案内し、その端部から出力波１２の形で光波を出射するこ とができる光導波路２。 この光導波路が半導体チップ３中に形成され、当該端部がこのチップの端面に よって形成される場合は、その端面は傾斜しており、かつ／または光波の出射を 可能にするための反射防止膜をもつ。光導波路２は出射波を変調することのでき る光電効果を有する。 − 光導波路に対向して配設された電極ＥＡ、ＥＤ、ＥＭ − 入力信号Ｔを受信し、これらの電極に応答して出射波１２を変調するため光 導波路２中に電界を発生する可変制御電圧を供給することができる制御発生装置 ４。 本発明によれば、光導波路２は、減衰セグメントＳＡと位相差セグメントＳＤ のような、長手方向に延びて続く２つのセグメントを含む。これら２つのセグメ ントは各々、セグメントの平均吸収係数ＣＡの変化ｄＣＡとその係数の変化をも たらした制御電圧Ｖ１の変化ｄＶ１との比に等しい、減衰電気感度ｄＣＡ／ｄＶ １を有する。また、位相差角φの変化ｄφとその 位相差角度の変化をもたらした制御電圧Ｖ２の変化ｄＶ２の比に等しい、位相差 電気感度ｄφ／ｄＶ２も有する。この角度φは、セグメントの平均屈折率に比例 する。 各セグメントの減衰電気感度と位相差電気感度の関係は、次式 によって定義される位相−振幅結合係数と呼ばれる係数αで表される。 上式で、ｔは時間である。 係数αはセグメントに固有の値である。この結合係数は、減衰セグメントＳＡ 内の方が位相差セグメントＳＤ内よりも小さい。 前記電極は、減衰セグメントＳＡに対向して配設された減衰電極ＥＡおよびＥ Ｍと、位相差セグメントＳＤに対向して配設された位相差電極ＥＤおよびＥＭと を構成する。したがって、これらの電極により、それぞれ減衰セグメント制御電 圧と位相差セグメント制御電圧を構成する異なる２つの制御電圧をこの２つのセ グメントに印加することができる。各電圧は、直流成 分と交流成分を有する。 制御発生装置４は、前記出射波に加えられる減衰の変化を示す設定値Ａと、同 波に加えられる光位相差の変化を示す設定値Ｄとを定義する入力信号Ｔを受信す る。それに応答して、同装置は、減衰の設定値Ａと位相差の設定値Ｄとの第１の 組合せ、たとえば次式のような線形組合せの形の、減衰セグメントＭＡの制御電 圧の交流成分を発生する。 ＭＡ＝ｋ１・Ａ＋ｋ２．Ｄ また同装置は、減衰の設定値Ａと位相差の設定値Ｄとの次式のような第２の組 合せの形の、位相差セグメントＭＤの制御電圧の交流成分も発生する。 ＭＤ＝ｋ３・Ａ＋ｋ４．Ｄ この第２の組合せは線形であるが、第１の組合せとは異なる。 係数ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４は定数である。ｋ１／ｋ２の比はｋ３／ｋ４の比 とは異なる。 さらに発生装置４は、減衰セグメントおよび位相差セグメントの制御電圧の直 流成分ＶＡ、ＶＤを発生する。 好ましい態様によれば、減衰セグメントＳＡおよび位相差セグメントＳＤは、 多重量子井戸構造の半導体により構成される。 このような構造により、後述するような長距離光リンクに適する変調器を実用的 かつ経済的に実現するには、減衰セグメントと位相差セグメントの２つのセグメ ントの２つの位相−振幅結合係数α１とα２の差で充分となることが本発明の枠 内で判明した。ただし、場合によっては別の種類の光電効果構造も適当であるこ とを理解されたい。 光導波路２は通常、単結晶半導体チップ３内で、相反する導電型ｐおよびｎを 示す２つの閉じ込め層６、８間に形成される。その場合、光導波路はさらに、光 共鳴空洞内に含まれ、２つの閉じ込め層間を正の方向に流れる注入電流ＩＧの作 用により光学的に増幅器となることの可能な材質からなる増幅セグメントＳＧを 含むと有利である。この光共鳴空洞は、光導波路２に結合された分散ブラッグ型 反射鏡１５から成る。 増幅電極ＥＧおよびＥＭは、増幅セグメントＳＧに対向して配設され、増幅電 源１０から給電され、２つの封じ込め層の間で正の方向に注入電流を通過させる 。このとき該増幅セグメントは、光導波路２内で光波を発生するため、変調器内 に組み込まれたレーザＤＦＢを構成する。 制御発生装置４は、２つの閉じ込め層６と８の間の電流の通 過を阻止するため、減衰セグメントおよび位相差セグメントの制御電圧の直流成 分ＶＡ、ＶＤを発生する。この制御電圧が前記正の方向と反対の方向を取る場合 、またはこの電圧が正の方向を取るものの、層のドーピングに依存する限界値を 下回る値をもつ場合には、この電流の通過は阻止される。 変調装置の実施を容易にする配置によれば、減衰セグメントＳＡと位相差セグ メントＳＤの２つのセグメントは、同じ構成を有する。このような構成の同一性 により、変化する制御電圧がセグメントに印加されても両者の電圧が同じである 限り、セグメントは同一の電気感度をもつ。しかしながら、これら２つのセグメ ントに共通な半導体構造が選択されているため、該感度は、制御電圧の直流成分 ＶＡおよびＶＤに大きく依存する。したがって制御発生装置４は、位相−振幅結 合係数に、減衰セグメントＳＡ内において位相差セグメントＳＤ内におけるより もはるかに小さな値をもたらすように、２つの直流成分ＶＡ、ＶＤに各々異なる 値を与える。 より詳細には、前記の電極は、光導波路２の全長にわたって延びる共通電極Ｅ Ｍと、減衰電極ＥＡ、位相差電極ＥＤ、増幅電極ＥＧの各固有電極とを構成する 。 これらの減衰セグメントと位相差セグメントの制御電圧の直流成分ＶＡおよび ＶＤは抵抗分割器１６と分離インダクタンス１８、２０を経て直流分極源１４に よって電極ＥＡおよびＥＤに供給される。 これら制御電圧の交流成分ＭＡおよびＭＤは、減衰の設定値Ａを直接定義する 入力信号Ｔを受信する変調回路２６によって、分離コンデンサ２２および２４を 経て、同電極ＥＡおよびＥＤにそれぞれ供給される。この回路は、内部の記号要 素により図示するような種々の作業を行う。第１のそのような記号要素は、入力 記号Ｔから位相差設定値Ｄを発生する位相差発生装置２８である。第２のそのよ うな記号要素は、２つの交流成分ＭＡおよびＭＤを構成するための前記に記載の ２つの線形組合せを発生する組み合せ回路３０である。 実際には、変調器が後記する光リンク中で使用されるような単純な場合には、 これら２つの成分は、方向が常に反対で、振幅が試験後に選択された一定の比率 内にあるような変化を示す。 直流成分ＶＡおよびＶＤの選択は第２図に図示されており、同図においてＬＡ とＬＤは各々、吸収係数ＣＡの変化と位相−振幅結合係数αの変化を示す。後者 の係数は、対応する特定の 電極ＥＡまたはＥＤと共通電極ＥＭとの間に毎回印加される電圧に応じて位相差 を定義する。電圧は、閉じ込め層６および８によって形成されるダイオードを逆 分極させるので、負の値として図示されている。電圧ＶＡは、電圧ＶＤよりも高 い減衰電気感度と、同電圧よりも低い位相差電気感度をもたらす。 これらの線図は、１５５０ｎｍの波長をもつブラッグ型反射鏡１５によって光 が選択される場合における前記の選択に相当とする。 本発明はまた、以下の既知の要素を含む光リンクも対象とする。 − 光波発生用の光源５０。 − 送信情報を搬送する入力信号Ｔを受信し、光波をその信号に対応する振幅に 変調する変調手段５２。 − 変調光波を受信し案内しながら、光波の変形を引き起こすのに適した色分散 をもつ光ファイバ伝送路５４。 − リンクの出力側において光波を受信し、それに応答して出力信号Ｓを発生す る受信器５６であって、同出力信号が伝送路５４の歪みにより増加したエラー率 で送信すべき情報を復現する受信器。 本発明によれば、光源５０と変調手段５２は各々、増幅セグメントＳＧと、前 記の変調器の減衰セグメントＳＡと位相差セグメントＳＤのアセンブリとによっ て構成される。減衰設定値Ａは、送信すべき信号Ｔによって直接定義される。制 御発生装置は、変調器から出てくる光波に、あらかじめ伝送路の色分散を少なく とも部分的に補償する予備歪みされた位相差をもたらすよう、送信すべき信号Ｔ から位相差設定値Ｄを生成する。該位相差はエラー率を可能な限り低減するため に選択される。第４図に示すタイミングチャートによって示す応用例においては 、送信すべき信号Ｔは、−１、０、＋１の値をとることのできる二重二進信号で ある。発生装置２６は、信号Ｔの絶対値を直接取り込み、１対２に補正し、Ｔ＝ ±１のとき最小減衰を得、Ｔ＝０のとき最大減衰を得るようにして、減衰設定値 Ａを発生する。発生装置２８は、Ｔ＝＋１のときφ０＋１８０°、Ｔ＝０のとき φ０＋９０°、Ｔ＝−１のときφ０に等しい前記変形位相差を実現するような位 相差Ｄの設定値を発生する。なおφ０は任意の固定した位相差の値である。この 例の場合、Ｔ＝０のときＤ＝φ０＋９０°を選択したことにより、単純な反転に より、信号Ｄは非常に簡単に信号Ｔから減算される。したがって 発生器２８の実行は非常に単純である。 しかしながら、減衰は最大であり、Ｔ＝０である間隔のときは光信号はほぼ０ であるので、Ｔ＝−１に対しては任意の値Ｄを選択することができることに注目 されたい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．それぞれ光波（１２）の減衰と位相差とを同時にもたらす、連続する２つの セグメント（ＳＡ、ＳＤ）を含む光導波路（５）を含む光電半導体変調器であっ て、２つのセグメントがそれぞれ制御発生装置（４）に接続された制御電極（Ｅ Ａ、ＥＭ；（ＥＤ、ＥＭ）を具備し、２つのセグメントが、それぞれ − セグメントの平均吸収係数（ＣＡ）の変化（ｄＣＡ）と、この係数の変化を もたらした制御電圧（Ｖ１）の変化（ｄＶ１）の比に等しい、減衰電気感度（ｄ ＣＡ／ｄＶ１）と、 − 位相差角（φ）の変化（ｄφ）と制御電圧の変化（ｄＶ２）の比に等しい、 位相差電気感度（ｄφ／ｄＶ２）とを有し、 − この減衰電気感度と位相差電気感度の関係が、次式 によって定義される位相−振幅結合係数と呼ばれる係数αで表され、 上記式で、ｔは時間であり、ＣＡは平均吸収係数であり、こ の結合係数は、減衰セグメント（ＳＡ）と呼ばれるセグメント内の方が位相差セ グメント（ＳＤ）内よりも小さく、 ２つのセグメント（ＳＡ、ＳＤ）が同一の構成を有すること、ならびに減衰セ グメント（ＳＡ）内で位相差セグメント（ＳＤ）内よりも小さい結合係数が得ら れるように、制御発生装置（４）が、２つのセグメントの電極にそれぞれ異なる 直流成分（ＶＡ、ＶＤ）を供給することを特徴とする変調器。 ２．前記減衰（ＳＡ）セグメントおよび位相差（ＳＤ）セグメントが、多重量子 井戸構造の半導体から成ることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の変調器 。 ３．光導波路（２）が、単結晶半導体チップ（３）内で、相反する導電型（ｎ、 ｐ）を示す２つの閉じ込め層（６、８）間に形成されること、ならびに該光導波 路がさらに、光共鳴空洞内に含まれ、２つの閉じ込め層間を正の方向に流れる注 入電流（ＩＧ）の作用により光学的に増幅器となることの可能な材質からなる増 幅セグメント（ＳＧ）を含むこと、ならびに該変調器がさらに、該増幅セグメン トに対向して配設された増幅電極（ＥＧ、ＥＭ）と、２つの閉じ込め層の間を正 の方向に注入電流を通過させるための増幅電源１０とを含むこと、ならびに前 記制御発生装置（４）が、前記の２つの閉じ込め層（６、８）間の電流の通過を 阻止する値をもつ減衰セグメントおよび位相差セグメントの制御電圧の直流成分 （ＶＡ、ＶＤ）を発生することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の変調器 。 ４．前記増幅セグメント（ＳＧ）が、前記変調器内に組み込まれたレーザＤＦＢ を形成するようにするため、前記共鳴空洞が、前記光導波路（２）に結合された 分散ブラッグ型反射鏡（１５）から成ることを特徴とする、請求の範囲第３項に 記載の変調器。 ５．制御発生装置（４）がさらに、減衰セグメントおよび位相差セグメントの電 極（ＥＡ、ＥＭ；ＥＤ、ＥＭ）に、前記減衰設定値（Ａ）と前記位相差設定値（ Ｄ）の２つの線形組合せ（ｋ１・Ａ＋ｋ２・Ｄ；ｋ３・Ａ＋ｋ４・Ｄ）の形の、 異なる２つの交流成分を供給することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の 変調器。 ６．− 光波を発信する光源（５０）と、 − 送信情報を搬送する入力信号（Ｔ）を受信し、光波を該信号に対応する振幅 に変調する変調手段（５２）と、 − 変調光波を受信し案内しながら、光波の歪みを引き起こすことの可能な色分 散を示す光ファイバ伝送路（５４）と、 − リンクの出力側において光波を受信し、それに応答して、前記歪みにより増 加したエラー率で送信すべき前記情報を復元する出力信号（Ｓ）を供給する受信 器（５６）と を含み、 光源（５０）と変調手段（５２）がそれぞれ、増幅セグメント（ＳＧ）と、請 求の範囲第３項に記載の変調器の減衰セグメント（ＳＡ）と位相差セグメント（ ＳＤ）のアセンブリとによって構成され、減衰設定値Ａが、送信すべき信号によ って直接定義されること、および 制御発生装置（４）が、エラー率を低減するため、前記光波に、あらかじめ伝 送路の色分散を少なくとも部分的に補償する予備歪みされた位相差を加えるよう に、前記送信すべき信号（Ｔ）から前記位相差設定値（Ｄ）を生成すること を特徴とする光リンク。 ７．−１、０、＋１の値をとることのできる二重二進信号である信号（Ｔ）を送 信するため、前記制御発生装置（２６）が、送信すべき信号（Ｔ）の絶対値を補 数化して送信すべき信号（Ｔ）から減算された減衰設定値をもたらす手段と、φ ０が任意の固定した位相差の値であるとして、送信すべき信号（Ｔ） が−１のときφ０＋１８０°の位相差を、送信すべき信号（Ｔ）が０のとき任意 の位相差を、送信すべき信号（Ｔ）が＋１のときφ０＋０°の位相差を発生する ような位相差設定値（Ｄ）をもたらす手段（２８）とを含むことを特徴とする、 請求の範囲第６項に記載の光リンク。