JPH09244074A

JPH09244074A - 光リミッタ回路

Info

Publication number: JPH09244074A
Application number: JP4763196A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tsuda; 裕之津田; Akira Hirano; 章平野; Kazuo Hagimoto; 和男萩本; Akira Takahashi; 亮高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1996-03-05
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】超高速光信号に対して動作する光リミッタ回
路を提供する。【解決手段】入射光強度に対して損失が変化する光リ
ミッタ素子１１を用い、その前段または後段に光増幅器
１３、１４を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光信号の伝送に利用
する。特に、超高速ビットレートの入射光パルス列のピ
ーク強度の変動に対して出力光パルス列のピーク強度の
変動量を抑圧する光リミッタ回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は従来例の光リミッタ回路を示す
図である。この従来例は進行波型半導体光増幅器２１の
利得飽和を利用したものであり、進行波型半導体光増幅
器２１の前段および後段に戻り光を阻止するための光ア
イソレータ２２、２３を備え、さらに出力側には不要な
光波長を除去する光フィルタ２４を備える。進行波型半
導体光増幅器２１には駆動電流を供給するための光増幅
器電源回路２５が接続される。

【０００３】図１２はこの光リミッタ回路の利得の入射
平均光強度依存性を示す。入射平均光強度を増大するに
したがって、ある光強度範囲で利得が飽和する。この光
強度範囲が光リミッタ動作領域として利用される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の進行波
型半導体光増幅器を用いた光リミッタ回路では、入射す
る光信号のビットレートが進行波型半導体光増幅器内の
光増幅に関わる励起準位の寿命により支配され、リミッ
タ特性の得られる帯域の上限が決定されてしまう。すな
わち、入射光パルス列のビットレートが励起準位の寿命
の逆数程度以上では、進行波型半導体光増幅器が各光パ
ルスのピーク強度の変動に追随できず、リミッタ特性は
得られない。励起準位の寿命は１ｎｓ程度であり、光リ
ミッタ回路の動作帯域は高々数百ＭＨｚ止まりである。

【０００５】本発明は、このような課題を解決し、超高
速光信号に対して動作する光リミッタ回路を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の光リミッタ回路
は、入射光のピーク強度変動に対して出力光のピーク強
度の変動量を抑圧する光リミッタ素子と、この光リミッ
タ素子への光入出力を行う光入出力手段とを備えた光リ
ミッタ回路において、光リミッタ素子は入射光強度に対
して損失が変化する光非線形素子を含み、光リミッタ素
子の前段および後段の少なくとも一方に光増幅器を備え
たことを特徴とする。

【０００７】光非線形素子は光非線形現象を用いてお
り、その動作は高速であるが、一般に高エネルギーある
いは高ピーク強度の光パルスで駆動する必要がある。そ
こで本発明では、そのような光非線形素子を用いた光リ
ミッタ素子の前段に光増幅器を用いることで、弱い光強
度の信号でも光リミッタ素子を駆動することができる。
また、出力光信号に高強度の光信号が必要な場合には、
後段に光増幅器を設ける。

【０００８】光リミッタ素子として二つの光反射層の間
に入射光強度に対して吸収率が飽和する可飽和吸収層が
配置された光ゲート素子を用い、この光ゲート素子の光
入出力側に配置された光反射層の反射率をＲ１、他方の
反射率をＲ２、可飽和吸収層の吸収率をＡ０とすると
き、Ｒ１−Ｒ２（１−Ａ２）²＞０を満たすようにその二つの光反射層および可飽和吸収層
が設定されることが望ましい。このような光ゲート素子
を用いると、二つの光反射層により構成される共振器の
反共振条件波長で用い、共振器内の損失が大きいことか
ら、動作帯域を極めて広くとることができる。

【０００９】光リミッタ素子として、非線形ループミラ
ー、非線形カップラ、非線形マッハツェンダ干渉計その
他の光非線形素子を用いることもできる。

【００１０】また、光増幅器の出力光強度を制御する手
段を設け、光リミッタ素子への平均入射光強度を一定に
保つことで光リミッタ回路の動作レンジを拡大するとと
もに、平均入射光強度のゆったりした変動に対して動作
レンジを追随させることができる。また、光リミッタ素
子の後段に光増幅器を設けてその出力光強度を制御する
場合には、光リミッタ回路の出力を安定化することがで
きる。

【００１１】光リッミッタ素子を構成する非線形素子の
入出力特性は一般にパルス幅によって変化するので、各
素子の前段に分散制御素子を設けることが望ましい。特
に可飽和吸収体を用いた光リミッタ素子の場合には、可
飽和吸収体の緩和時間よりパルス幅が長いとスイッチン
グエネルギーが大きくなるので、分散制御素子によりパ
ルス幅を短くし、光リミッタ素子の消費エネルギーを低
減することが望ましい。光リミッタ素子からの出力パル
ス幅を制御するために、その後段に分散制御素子を配置
することもできる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第一の実施形態を
示すブロック構成図である。ここでは、光リミッタ素子
の前段および後段にそれぞれ光増幅器を配置した例を示
す。

【００１３】すなわちこの光リミッタ回路は、入射光の
ピーク強度変動に対して出力光のピーク強度の変動量を
抑圧する光リミッタ素子１１と、この光リミッタ素子１
１への光入出力を行う光入出力部１２とを備え、光リミ
ッタ素子１１は入射光強度に対して損失が変化する光非
線形素子により構成され、光リミッタ素子１１の前段お
よび後段にそれぞれ光増幅器１３、１４を備える。

【００１４】光増幅器１３、１４としては、エルビウム
ドープ光ファイバ、励起光源回路、光アイソレータ、波
長多重カップラ、光フィルタから構成されるＥＤＦＡ
（Erbium Doped Fiber Optical Amplifier）、あるいは
進行波型半導体光増幅器、光アイソレータ、光フィルタ
および電源回路からなる光増幅器を用いることができ
る。

【００１５】図２は光入出力部１２の構成例を光リミッ
タ素子１１の構成例と共に示す。光入出力部１２は、第
一のポートから入射した光を第二のポートに出力し第二
のポートから入射した光を第三のポートに出力する光サ
ーキュレータ２０１と、この光サーキュレータ２０１の
第二のポートの入出力光をコリメートするコリメータレ
ンズ２０２と、コリメータレンズ２０２からの光を光リ
ミッタ素子に集光するとともにその反射光をコリメータ
レンズ２０２に入射する集光レンズ２０３とにより構成
される。この構成は一例であり、光入出力部の構成はこ
の例に限定されるものではない。

【００１６】図３は図２に示した光リミッタ素子の構成
例を拡大して示す。ここでは、光リミッタ素子として、
二つの光反射層の間に入射光強度に対して吸収率が飽和
する可飽和吸収層が配置された光ゲート素子を用いた例
について説明する。この光リミッタ素子は、二つの光反
射層としてＤＢＲ型ミラー１０１およびＡｕミラー層１
０２を備え、その間に、可飽和吸収層として量子井戸層
１０３を備える。Ａｕミラー層１０２と量子井戸層１０
３との間には位相調整層１０４が設けられる。さらに詳
しく説明すると、この光リミッタ素子は、ＩｎＰ基板１
００の一方の面に、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのＤＢＲ型
ミラー１０１と、２００℃で低温成長しドーパントとし
てＢｅを５×１０¹⁷ｃｍ^-3添加したＩｎＧａＡｓＰ／Ｉ
ｎＡｌＡｓ多重量子井戸であり膜厚が１ないし５ミクロ
ン程度の量子井戸層１０３と、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
の位相調整層１０４と、Ａｕミラー層１０２とを積層
し、ＩｎＰ基板１００の他方の面には低反射コーティン
グ１０５を設け、Ａｕミラー層１０２側をＩｎ半田１０
６によりＣｕヒートシンク１０７に取り付けた構造をも
つ。入射光は低反射コーティング１０５側から入射す
る。

【００１７】ＤＢＲ型ミラー１０１の反射率は２０〜５
０％程度に設定する。また、微弱な入射光に対するＤＢ
Ｒ型ミラー１０１の反射率Ｒ１、Ａｕミラー層１０２の
反射率Ｒ２および量子井戸層１０３の吸収率Ａ０に対
し、Ｒ１−Ｒ２（１−Ａ０）²＞０を満たすように、各
反射率および可飽和吸収層（量子井戸層１０３）の層厚
を設定する。

【００１８】図４および図５はこのような構造の光リミ
ッタ素子の動作を説明する図である。入射した光が可飽
和吸収層（量子井戸層１０３）で吸収されると、生成キ
ャリアによって位相空間が充填され、吸収係数が減少す
る。図４には、入射光強度に対するＤＢＲ型ミラー１０
１およびＡｕミラー層１０２の反射率の依存性を示す。
入射光はＤＢＲ型ミラー１０１およびＡｕミラー層１０
２から反射されるが、入射光の光強度が弱い場合は、反
射光は主としてＤＢＲ型ミラー１０１からのものとな
る。入射光強度が高まるにつれて可飽和吸収層での吸収
が少なくなるので、Ａｕミラー層１０２からの反射が強
くなる。ところが、ＤＢＲ型ミラー１０１とＡｕミラー
層１０２との光学距離Ｌを入射光波長λに対して（１／
４＋ｍ）λ／２＜Ｌ＜（３／４＋ｍ）λ／２（ｍ＝０、
１、２、…）となるように設定すると、Ａｕミラー層１
０２からの反射光とＤＢＲ型ミラー１０１からの反射光
とが干渉し、部分的に打ち消し合うようになる。Ｌ＝
（３／４＋ｍ）λ／２の場合にはほぼ完全に打ち消し合
う。図５には、光リミッタ素子の干渉後の反射率の入射
光強度依存性を示す。光リミッタ素子は、比較的低強度
の入射光に対してＲ１−Ｒ２（１−Ａ０）²＞０を満た
し、入射光強度が強くなるにつれて反射率が低下する光
リミッタ動作をする。

【００１９】二つの光反射層の間に可飽和吸収層が配置
された構造の素子は、二つの光反射層により構成される
共振器の反共振条件波長で用いること、および共振器内
損失が大きいことから、動作帯域は極めて広くなる。具
体的には、３０〜５０ｎｍの光波長帯域で動作可能であ
る。動作信号帯域はほぼ二つの光反射層からの反射光の
位相遅れがパルス幅に対して無視できる範囲であり、可
飽和吸収層が厚さ４μｍの素子では５００ＧＨｚ程度で
ある。この値は材料の応答時間に比較して短いので、素
子の動作帯域は主として材料のキャリア緩和時間で定ま
り、最大２００ＧＨｚが期待される。

【００２０】図６は本実施形態の光リミッタ回路の光入
出力特性を実線により示し（図６の破線は後述する実施
形態の光入出力特性）、図７はピーク強度の変動量の大
きい光信号に対する入出力例を示す。図７において、
（ａ）は入射信号、（ｂ）はそれに対して光リミッタ回
路により得られる出射信号である。ピーク強度の変動
は、光送信器の変調が不完全であり、光信号がパターン
効果のある媒質を透過する場合に、光多重を行うときの
各経路の損失変動によって生じる。このようなピーク強
度の変動は光信号の受信感度を劣化させるため、取り除
くことが望まれる。光リミッタ回路で処理することで、
図７（ｂ）に示すように、光リミッタ素子の負性入出力
特性を反映してピーク強度の変動が低減される。

【００２１】光非線形現象を用いた光リミッタ素子は、
一般に高エネルギーあるいは高ピーク強度の光パルスで
駆動する必要がある。例えば、図３に示した構造の光リ
ミッタ素子では、１パルス当たり１ｐＪ程度のエネルギ
ー必要であり、１００Ｇｂｉｔ／ｓでマーク率１／２の
信号に対して５０ｍＷの平均光強度が必要である。この
ため、素子の前段に光増幅器を用いることで、弱い光強
度の信号でも光非線形素子を駆動することができる。ま
た、光リミッタ素子および光入出力部での損失は３〜１
０ｄＢ程度以上になるので、出力光信号に高強度の光信
号が必要な場合には、後段にも光増幅器を設けることが
よい。

【００２２】光リミッタ素子として、他の構造の素子を
用いることもできる。例えば、非対称光カップラの光フ
ァイバとから構成された非線形ループミラーを用いるこ
とができる。非線形ループミラーは、入射光強度が小さ
いときに反射率が高くて透過率が低く、入射光強度を高
くするにしたがって反射率が低く透過率が高くなり、さ
らに入射光強度を高くすると反転して反射率が低くなる
特性をもつ。光入出力特性は非対称光カップラの分岐比
に強く依存する。分岐比が１：１に近づくにしたがって
入出力特性の非線形性および消光比は高まるが、動作光
強度は増大する。これは非線形ループミラーがループ内
の右回りと左回りの光の位相が一致している場合に反射
率が最大となり、光の位相が１８０度ずれるときに透過
率が最大になるが、この位相差が右回りと左回りの光の
強度差によって生じるからである。したがって、非線形
ループミラーの反射光を取り出す構成で負性入出力特性
をもつので、光リミッタ素子として機能する。

【００２３】また、光リミッタ素子として、二つの光導
波路の光結合部に光非線形材料を用いた非線形カップラ
を用いることもできる。このような非線形カップラで
は、光非線形材料が光強度に応じて屈折率が変化するの
で、光強度によって結合係数が変化する。すなわち、非
線形カップラの一方の出力端の損失は、ある光強度領域
のときに光強度の増大に対して増加する。したがって、
このような非線形カップラを光リミッタ素子として用い
ることができ、本発明を同様に実施できる。

【００２４】光リミッタ素子として、非線形マッハツェ
ンダー干渉器を用いることもできる。非線形マッハツェ
ンダー干渉器は、マッハツェンダー干渉器の二つのアー
ムの一方に光非線形材料を挿入するか、両方のアームに
光非線形材料を挿入し、かつ両アームへの光の分岐を非
対称（分岐比が１：１以外）としたものである。光非線
形材料は光強度に応じて屈折率が変化するので、マッハ
ツェンダー干渉器の出力側の合波部での両アームからの
光の位相差が光強度によって変化する。すなわち、初期
位相差を適当な値に設定することで、ある光強度領域で
損失が光強度の増大に対して増加するマッハツェンダー
干渉器が得られる。したがって、このようなマッハツェ
ンダー干渉器を光リミッタ素子として用いることがで
き、本発明を同様に実施できる。

【００２５】図８は本発明の第二の実施形態を示すブロ
ック構成図である。この実施形態は、光リミッタ素子１
１の前段および後段、正確には光入出力部１２の前段と
光増幅器１４の後段に、それぞれ分散制御素子１５、１
６を備えたことが第一の実施形態と異なる。これらの分
散制御素子１５、１６としては、高分散ファイバ、ファ
イバグレーティング、石英光導波路、プリズム、回折格
子、エタロン、マッハツェンダー干渉計等を用いること
ができる。

【００２６】一般に、入射する信号光パルスはチャーピ
ングを伴い、時間軸上で周波数が変動している。チャー
ピングした光パルスは、分散制御素子を通すことで、そ
のパルス幅を変化さることができる。光非線形素子の入
出力特性は一般にパルス幅によって変化する。可飽和吸
収体を用いた光リミッタ素子では、可飽和吸収体の緩和
時間よりもパルス幅が短いときにはスイッチングエネル
ギーが１ｐＪ程度であるが、可飽和吸収体の緩和時間よ
りもパルス幅が長いときには、スイッチングエネルギー
が１０ｐＪ程度になる。そこで図８に示した実施形態で
は、分散制御素子１５によってパルス幅を短くし、光リ
ミッタ素子１１における消費エネルギーを低減すること
ができる。また、図８に示した実施形態では、光リミッ
タ素子１１からの出力光パルス幅を制御するために、分
散制御素子１６が後置される。

【００２７】図９は本発明の第三の実施形態を示すブロ
ック構成図である。この実施形態は、光増幅器１３、１
４のそれぞれの出力光強度を制御する光増幅器制御回路
１７を備えたことが第一の実施形態と異なる。

【００２８】図１０は一つの光増幅器とそれに対する光
増幅器制御回路の構成例を示す。ここでは、光増幅器と
してＥＤＦＡを例に説明する。光増幅器は、光入射側で
逆方向の光を遮断する光アイソレータ３０１、励起光に
より励起されて入射光を増幅するエルビウムドープ光フ
ァイバ３０２、エルビウムドープ光ファイバ３０２に励
起光を導く波長多重カップラ３０３、出力側で逆方向の
光を遮断する光アイソレータ３０４、不要な光を除去す
る光フィルタ３０５および励起光を発生する励起光源回
路３０６により構成される。励起光源回路３０６には、
励起光源、励起光源用電源回路および励起光源の温度制
御回路を備える。光増幅器制御回路には、光増幅器の入
射光の一部を分岐する光分岐素子５０１、この光分岐素
子５０１により分岐された光のパワーを測定する光パワ
ー測定器５０２、光増幅器の出力光の一部を分岐する光
分岐素子５０３、およびこの光分岐素子５０３により分
岐された光のパワーを測定する光パワー測定器５０４を
備える。

【００２９】この構成例では、光パワー測定器５０２、
５０４の光パワー測定値に基づき、励起光源回路３０６
からの励起光強度を制御する。これにより、この光増幅
器の光出力が制御される。光パワー測定値に基づく励起
光源回路３０６の制御については各光増幅器に共通であ
り、図１０では省略する。

【００３０】ここではＥＤＦＡを例に説明したが、進行
波型半導体光増幅素子、光アイソレータ、光フィルタお
よび電源回路からなる光増幅器を用いた場合にも同様に
実施できる。

【００３１】光非線形現象を利用した光リミッタ素子
は、そのダイナミックレンジ内ではリミッタ動作する
が、その範囲外の入力に対してはリミッタ動作をしな
い。本実施形態では、光リミッタ素子への平均入射光強
度を一定に保つことで、光リミッタ回路の動作ダイナミ
ックレンジを拡大することができる。この場合の光入出
力特性を図６に破線で示す。また、平均入射光強度のゆ
ったりした変動、例えばＥＤＦＡの場合で数百Ｈｚ以下
の変動、進行波型半導体光増幅素子を用いた光増幅器の
場合で数十Ｈｚ以下の変動に対して、動作レンジを追随
させることが可能である。また、出力側にも光増幅器を
配置することで、出力を安定化することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光リミッ
タ回路は、超高速かつ広帯域で動作する。また、入射信
号光パルス幅を最適値として低消費エネルギーで光リミ
ッタ動作を行うことができる。さらに、低光強度の入射
信号や平均入射光がゆっくりと変動する場合でも、光リ
ミッタ動作が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態を示すブロック構成
図。

【図２】光入出力部の構成例を光リミッタ素子の構成例
と共に示す図。

【図３】図２に示した光リミッタ素子の構成例を拡大し
て示す図。

【図４】光リミッタ素子の動作を説明する図であり、入
射光強度に対するＤＢＲ型ミラーおよびＡｕミラー層の
反射率の依存性を示す図。

【図５】光リミッタ素子の動作を説明する図であり、干
渉後の反射率の入射光強度依存性を示す図。

【図６】光リミッタ回路の光入出力特性を示す図。

【図７】ピーク強度の変動量の大きい光信号に対する入
出力例を示す図。

【図８】本発明の第二の実施形態を示すブロック構成
図。

【図９】本発明の第三の実施形態を示すブロック構成
図。

【図１０】一つの光増幅器とそれに対する光増幅器制御
回路の構成例を示す図。

【図１１】従来例の光リミッタ回路を示す図。

【図１２】従来例における利得の入射平均光強度依存性
を示す図。

【符号の説明】

１１光リミッタ素子１２光入出力部１３、１４光増幅器１５、１６分散制御素子１７光増幅器制御回路２１進行波型半導体光増幅器２２、２３光アイソレータ２４光フィルタ２５光増幅器電源回路１００基板１０１ＤＢＲ型ミラー１０２Ａｕミラー層１０３量子井戸層１０４位相調整層１０５低反射コーティング１０６Ｉｎ半田１０７Ｃｕヒートシンク２０１光サーキュレータ２０２コリメータレンズ２０３集光レンズ３０１光アイソレータ３０２エルビウムドープ光ファイバ３０３波長多重カップラ３０４光アイソレータ３０５光フィルタ３０６励起光源回路５０１、５０３光分岐素子５０２、５０４光パワー測定器

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【手続補正書】

【提出日】平成８年４月１０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】光リミッタ素子を構成する非線形素子の入
出力特性は一般にパルス幅によって変化するので、各素
子の前段に分散制御素子を設けることが望ましい。特に
可飽和吸収体を用いた光リミッタ素子の場合には、可飽
和吸収体の緩和時間よりパルス幅が長いとスイッチング
エネルギーが大きくなるので、分散制御素子によりパル
ス幅を短くし、光リミッタ素子の消費エネルギーを低減
することが望ましい。光リミッタ素子からの出力パルス
幅を制御するために、その後段に分散制御素子を配置す
ることもできる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】光非線形現象を利用した光リミッタ素子
は、そのダイナミックレンジ内ではリミッタ動作する
が、その範囲外の入力に対してはリミッタ動作をしな
い。本実施形態では、光リミッタ素子への平均入射光強
度を一定に保つことで、光リミッタ回路の動作ダイナミ
ックレンジを拡大することができる。この場合の光入出
力特性を図６に破線で示す。また、平均入射光強度のゆ
ったりした変動、例えばＥＤＦＡの場合で数百Ｈｚ以下
の変動、進行波型半導体光増幅素子を用いた光増幅器の
場合で数十ＫＨｚ以下の変動に対して、動作レンジを追
随させることが可能である。また、出力側にも光増幅器
を配置することで、出力を安定化することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋亮東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光のピーク強度変動に対して出力光
のピーク強度の変動量を抑圧する光リミッタ素子と、こ
の光リミッタ素子への光入出力を行う光入出力手段とを
備えた光リミッタ回路において、前記光リミッタ素子は入射光強度に対して損失が変化す
る光非線形素子を含み、前記光リミッタ素子の前段および後段の少なくとも一方
に光増幅器を備えたことを特徴とする光リミッタ回路。
【請求項２】前記光リミッタ素子は二つの光反射層の
間に入射光強度に対して吸収率が飽和する可飽和吸収層
が配置された光ゲート素子を含み、この光ゲート素子の光入出力側に配置された光反射層の
反射率をＲ１、他方の反射率をＲ２、可飽和吸収層の吸
収率をＡ０とするとき、Ｒ１−Ｒ２（１−Ａ２）²＞０を満たすようにその二つの光反射層および可飽和吸収層
が設定された請求項１記載の光リミッタ回路。
【請求項３】前記光増幅器の出力光強度を制御する手
段を備えた請求項１記載の光リミッタ回路。
【請求項４】前記光リミッタ素子の前段および後段の
少なくとも一方に光パルスの幅を制御する分散制御素子
を備えた請求項１記載の光リミッタ回路。