JPS61502842A - 高速強度変調光源 - 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】 高速強度変調光源 技術分野 本発明はレーザー、及びこのレーザーを周波数変調出力ビームを得るための変調 器を含む強度変調光源に関する。

発明の背景 光通信システムは大きな情報搬送能力を持つため商業的に非常に重要である。現 在の光通信システムは、通常、光ファイバと呼ばれるガラス伝送ラインによって 互いに光学的に結合さｎた光源及び光検出器を持つ。現在のシステムは情報’ｒ ｌｏＯＭビット／秒以上の速度にて搬送するが、将来のシステムでは情報をＩＧ ビット／秒以上の速度にて搬送することが期待される。

高い伝送速度及び長い光源と光検出器の間に距離全達成するために、現在は光源 として半導体レーザー　ダイオードが使用されている。これらダイオードは比較 的にコンパクトであり、現在危も重要とさルる波長領域内の比較的狭いスペクト ル幅を持つビームを放射する。現在のダイオードは単−横モード及び単−縦モー ド出力を与えるように製造さｎている。このようなダイオードは、通常、単一周 波数レーザーと呼ばｎｌこれらは、例えば、ファイバに結合される光を最大にし 、ファイバ分散特性の有害な部分を最小限にするため多くの用途に使用さルる。

これら有害な部分は光パルスの幅を広げ、達成可能なビット速度及び光源と検出 器の間の距離を制約する。

ビット速度、あるいは光源と光検出器の間の距離が大きくなり過ぎると、ファイ バ分散のために重複し、情報が失われる。各種の変調技術が提案されているが、 現在のシステムは情報を搬送するためにレーザー出力の強度変調（ＩＭ）ｆｆｉ 使用する。つ−１υ、情報はレーザーからの光出力の強度の変動によって運ばれ る。

しかし、他の変調技術は、強度変調と比較して幾つかの長所を持つ。例えば、周 波数変調（ＦＭ）では強度変調（ＩＭ　）と比較して、少なくとも２つの理由に よって、高速周波数変調が可能である。第１に、固有のＦＭとレーザーのＲＣ寄 生電流のロール　オフの結合によって、ＦＭ技術では、ＲＣ寄生電流と結合さｎ たＩＭレスポンスよりも平担な高周波数レスポンスが得られる。第２に、共振以 上のロールオフはＦＭの方がＩＭと比較して低速である。

さらに、半導体レーザーの直接強度変調は、ビット速度の増加に伴なって、つま シ、周波数の増加に伴って、ますます困難となる。直接強度変調とは、光出力の 強度がレーザーを流れる電流を変動することによって変動されることを意味する 。このタイプの変調は高ビット速度第１に、電流が変動されると半導体レーザー 　ダイオードの周波数変調が起こシ、これは放射されるスペクトル幅ヲ広げる。

このタイプの周波数変調は、通常、チャーピングと呼ばれ、例えば、５オングス トロ一ム程度の大きさを持つ。チャーピングはファイバに分散特性を与えるため 好ましくない。第２に、レーザーを強度変調するためには、多量の電流、典型的 には２０ｍＡを急速にスイッチすることが必要であシ、このスイッチ動作はスイ ッチ速度の増加に伴って一層困難となる。第３に、多くの単一周波数レーザー、 例えば、クリープ結合キャビティ　レーザー及び外部キャビティ　レーザーは、 レーザー　モードのホッピング、つまり、レーザー出力が縦モードから他のモー ドにシフトするため完全に強度変調することは困難である。この問題は、通常、 ′吸光度ペナルティ“と呼ばれる。

これらの理由によって、直接強度変調に代わる方法が提案されている。１つの方 法はい外部変調器、例えば、集積光学変調器を使用する方法である。レーザーは 連続的に放射を行い、所望の強度変調は変調器内で光吸収を変動させる変調器に 送られる信号によって実現される。

しかし、現在の外部変調器の効率的な動作には、高周波数において、通常、１０ ボルト以上の高電圧が必要とされる。必要とされる電圧は、通常、周波数の増加 に伴って増加する。これに加えて、単純で、効率的な、高速変調器を得るための 問題が存在する。さらに、レーザーと変調器間、並びに変調器とファイバ間の結 合の結果としての信号損失の問題が存在する。

もう１つのアプローチはコーヒレント光学技術を使用するが、この技術において は、２つの発振器が互いにロックされること、つまり、２つの発振器が同一周波 数とさｎることが必要である。この方法によると高感度が達成されるが、問題は 、状況によっては１００　ｋｍ　以上も離れて位置される発振器を互いにロック することの困難さにある。これらの問題は本発明による強度変調光源によって達 成されるが、本発明による光源は、ビームの第１の部分をビームの第２の部分に 対して遅延し、この２つの部分を再結合することによって振幅変調を実現するた めの装置を含む。

発明の要約 本発明によると放射ソース、例えば、半導体レーザーダイオードを含む光源が強 度変調されるが、これは、放射ソースを周波数変調ビームを得るために周波数変 調し、ビームの第１の部分をビームの第２の部分に対して遅延し、次にこの２つ の部分を再結合することによって実現される。この遅延装置は、例えば、マイケ ルソンあるいはマツハーツエンダー干渉計を使用することによって周波数変調ビ ームを２つの異なる経路長に分割するための装置を含む。もう１つの実施態様に おいては、この装置はファイバ　オプティック再循環ループを含む。

図面の簡単な説明 第１図は本発明による強度変調光源の略図を示し；第２図においては第１図に示 される光源のボートＡ及びＢに関して、レーザー周波数が横軸に示され、これに 対する出力パワーが縦軸て示され。

第３図は本発明による周波数変調半導体レーザーを使用する強度変調半導体光源 に使用されるフィードバック安定化回路の略図を示し； 第４図から第６図は本発明の他の幾つかの実施態様を図面においては正確な縮尺 にて示でれていない。

詳細な説明 第１図には本発明による半導体レーザーを使用する強度変調光源の１つの実施態 様が示される。この光源は該ダイオードを周波数変調するための半導体レーザー 　ダイオード１及びドライバ３を含む。ドライバ３はバイアス電流及び変調器電 流の両方を含む。この変調電流が所定の周波数変調を得るために変動される。レ ーザー　ダイオードは能動領域１１を持つが、該領域において電子及びホールが 放射線的に再結台する。レーザーからの周波数変調ビームは５として示さ扛、装 置７に当たり、こｎによってビームの第１の部分がビームの第２の部分に対して 遅延され、次にこの第１及び第２の部分が再結合される。図示される実施態様に おいては、この装置はビームの第１の部分を第２のビーム　スプリッタ７３に伝 送し、ビームの第２の部分を反射鏡７５に反射するビーム　スプリッタ７１を含 むが、反射鏡７５はビームの第２の部分をこの第２のビーム　スプリッタ７３に 向ける。

この２つの部分は第２のビーム　スプリッタの所で再結合され、２つの出力ビー ム全生成する。片方の出方ビームはボートＡから出て、他方の出力ビームはボー トＢがら出る。明らかなごとく、ボートＡ及びボートＢの両者から出る出力光線 は異なる経路長全伝播した２つの部分カラナル。つ１り、ビームの片方の部分は ビームの他方の部分より遅延される。

幾つかの技術によって経路長を調節することができる。

例えば、反射鏡７５はビームスプリッタ７１及び７３との関係で移動することが できる。これに加えて、経路長は経路長にｎう屈折率を変化することによって調 節することができる。経路長を相対的に調節することによって、ビーム　スプリ ッタ７３の所、つまり出力ボートの所に所望の干渉を得ることができる。

動作においては、レーザー周波数を第１の値から第２の値に変化することによっ て、ビーム　スプリッタ７３の所に構成的（加算）あるいは破壊的（減算）干渉 を得られる。この２つの周波数、並びに、経路長はボートの所の出力が周波数の 変化に伴って最小から最大になるよって、あるいはその逆になるように選択され る。経路長をその他の理由によって調節することが必要となる場合がある。例え ば、同一の強度レベルに最大及び最小、つまシ、１及びＯを保持することが必要 となる場合がある。

レーザーは単−縦モード　レーザー、つまシ、単一周波数レーザーであることが 要求される。出力ビームがボートの出口の所でそれ自体と構成的あるいは破壊的 に干渉することが必要であり、これは多重モード出方では簡単に達成できなく、 従って、多重縦モード出力は好１しくない。このレーザーはまた単−横モードに て動作することが要求される。単一周波数レーザーは当業者においては周知であ シ、従って、詳細な説明は必要としない。

分布フィードバック　レーザーあるいは結合キャビティシステム、例えば、クリ ープ結合キャビティ　レーザーを使用することもできる。

周波数変調半導体注入型レーザーも当業者においては周知である。例えば、ＩＥ ＥＥジャーナル　オブ　クウォンタム　エレクトロニクス、ＱＥ　−１６（ＩＥ ＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、　ＱＥ 　−１６７、ページ２５０−−３０４．１９８２年４月１日を参照すること。周 波数変調は注入電流を変化させ、こ扛によってキャビティの光経路長を変化させ ることによって得られる。勿論、周波数シフトの規模は注入電流の変化の規模に 依存する。

所望の強度変調に必要とされる周波数変調の規模は第２図との関連で説明される 以下の事項によって決定される。第２図には、レーザー周波数が任意の単位にて 横軸てプロットさｎｌこれに対する出力パワーが任意の単位にて縦軸にプロット されている。伝送特性がボートＡ及びボートＢに対して、それぞｎ１実線及び点 線にて別個に示される。実際の光源の曲線の正確な特性はビームが伝播する実際 の経路長に依存する。つまり、相対経路長が変化されると、最大及び最小強度の 所での周波数の変化が起こる。

得られる実際の伝送特性はパワーがビーム　スプリッタによってどのように分割 されるかに依存する。ビームが同一パワーの２つの部分に分割されないときは、 示されるごとく、出力パワーの最小は非ゼロとなる。通常、分割が等しくなるこ とが好ましいが、これは結果として、周波数シフトに伴なう最大パワーに対する 最小パワーの比が最大となるためである。ビーム及びこの部分の偏波状態が保持 されることが必要であることは当業者においては周知のことである。伝送特性の 形状はレーザーが幾らかの残留強度変調を示すためよシ複雑である。

第２図から明らかのように、レーザー周波数がｆｌがらｆ２に変化すると、ビー ムの２つの部分が再結合して構成的あるいは破壊的に干渉するため両方のボート の出力パワーが変化する。図示されるごとく、周波数の小さな変化は、結果とし て、振幅に大きな変化を与える。つまシ、ｆｌとｆ２の間の差は小さい。ｆｌ及 びｆ２は光源の温度の変化、レーザーのエージング等の結果として動作の間に変 動するが、所望の伝送特性はＤＣバイアス電流を変化することによって維持され る。

所望の強度変調はレーザーの周波数がｆｌからｆ２に変化されることによって得 られるが、結果としてのボートＡからの出力パワーはこの２つの周波数の所でそ れぞれ最小及び最大となる。ボートＢからの出力パワーはそれぞれｆｌ及びｆ２ の所で最大及び最小となる。こｎより高速度での周波数変調によシ高速度での強 度変調を達成できることがわかる。所望の強度変調てはレーザー周波数が量Δω ＝πだけ変化することが必要である。ここで、Δωはレーザー周波数の変化を表 わし、Ｔは周波数の２つの部分の間の相対遅延ヲ衣わし、πは位相の変化を表わ す。遅延、Ｔは、好ましくは、出力パルスの立上がり時間であり、従って、１７ ２Ｔはビット速度よシも大きなことが必要である。この遅延は明らかにパルス期 間以下であることが要求される。Ｔが小さくなると、より小さなデバイスが製造 でき、またよシ高いビット速度を得ることができるが、より大きな周波数逸脱Δ ωを使用することが必要となる。

この周波数逸脱を得るのて必要とされる電流変動の量は、−例として示されるよ うに、通常、比較的小さい。

Ｔ　＝　１．０ナノ秒の２Ｇビット／秒システムでは、グラスファイバ内の遅延 の長さは約２０ｃ７ｒＬであることが要求される。ＩｎＧａＡＳＰレーザーでは 、電流に対する周波数変動の典型的な速度はＩ　ＧＨ２／ｍＡである。つ１す、 ２ＧＨｚの周波数シフトが必要とされ、電流全豹２．０　ｍＡ変化することが要 求される。この電流の変化はＩｎＧａＡＳＰレーザー　ダイオード全振幅変調す るのに要求さ扛る相当する電流の変化と比較して、約１から３桁小さいことに注 意すべきである。電流に対する周波数変化の匹敵する速度がＡｌＧａＡｓレーザ ーを０．９μｍのより短かい波長ばて動作することによって得られる。

達成可能な最大ビット速度はレーザーの最大周波数変調によって決定される。高 変調速度においては、周波数変調は主にレーザー内の電子及びホールの濃度の変 化に起因する屈折率の変化による。低周波数速度においては、周波数変調は熱的 に誘因された屈折率の変化並びにキャリヤ濃度て誘因される屈折率の変化による 。従って、達成可能な最大周波数はレーザーの構造及び組成の両方によって決定 される。一般的に、二重へテロ構造接置レーザーでは１５　ＧＨ２以上の上限が 達成できることが知らｎでいる。

レーザー周波数、ω、及び経路長、Ｔをゼロ出力にとどまるように安定化するこ とが必要である。換言するならば、安定化には以下の関係、つまり、ｄ（ωＴ） ＝ｄ　ωＴ十ωｄ　Ｔ＜ｑπが満足されることが要求される。ここで、生はＱ係 数を表わす。論理ゼロが論理１の１０パーセント以下であるときは、Ｑ係数は０ ．１に等しい。論理１及び論理ゼロの他の比率に対しても同様ＫＱ係数が決定さ 扛る。またレーザー　パワー全一定のレベルの所に安定化すること、つまり、論 理１に対する出力パワーが変動しないようにすることも必要である。所望の安定 化は検出された出力から派生される信号をレーザー電流ドライブにフィードバッ クすることによって簡単に達成できる。

第３図てはこの回路が簡略的に示される。第１図に使用されるのと同一の参照番 号は同一の要素を示す。このフィードバック回路は２つの光検出器５１及び５３ を含むが、こｎはそれぞれスプリッタ８１及び７３よシ光を受信する。光検出器 からの出力は増幅器６５に送らｎる。

増幅器６５及びドライバ３に接続されたラッチ６７が存在する。このラッチは論 理ゼロが伝送されたときにのみ、つまシ、光検出器５１の所にパワーが受信さｎ たときにのみ比較が遂行さ扛るようにするために使用さｎる。ドライバ３からラ ッチへの接続はこの情報を提供する。差動増幅器はこのエラー信号を提供する。

ドライバ３及びラッチ６７がそれぞれ抵抗６１及び６３を通じてレーザー１に接 続される。

所望のフィードバック信号を得るために、論理１は第２図に示されるように出力 信号のピークの所でなく、伝送特性の第１の派生信号が非ゼロであるこれよりい くぶん小さな値の所とされる。これによって、変動が必要なときは、バイアス電 流が正しい方向にシフトできる。この値はレーザー出力強度に比例する信号と比 較され、この差がレーザー電流ドライブに送シ戻される。つまり、この回路は光 源及びレーザーの出力を監視し、出力を比較するための装置、及びバイアス電流 をレーザーに調節するための装置を含む。図示される実施態様においては、比較 は論理ゼロが伝送され、論理１がフィードバック検出器に送られるときにのみ有 効であるためラッチが加えられる。光検出器５３は出力の補数を受信することに 注意すること。従って、比較は論理ゼロが伝送されたときに行われる。

この安定化回路には幾つかの変更を加えることができる。光検出器５１は最大パ ワー出力を測定するための手段を提供するが、これをレーザーの背面からの放射 の強度を測定できるように位置することもできる。これに加えて、ＤＣバイアス 電流は装置３でなくラッチ６７に加えることができる。

安定化回路は、単に、ωＴがπの倍数となることを保証するのみであることに注 意すること。このシステムはＯＮ状態とＯＦＦ状態の間の差を一定にするように 安定化される必要はない。これはΔωが約１０ｇＨ１であるのに対して、ωが約 １０”Ｈ２であシ、後者の方が問題が重大であるためである。事実、変調電流源 は、約０．１ｍＡまで安定化することのみが必要とされる。

既に説明の２つのバルクの光ビーム　スプリッタを使用する干渉計に加えて、装 置７に対する他の構成を考えることもできる。装置７に対する１つの構成が第４ 図に示されるが、この構成では１つのビーム　スプリッタ７１のみが使用される 。つまりこれは不平衡マイケルソン干渉計である。ビームの２つの部分が分割さ れ、ビーム　スプリッタ７１の所で再結会される。また、単て１個の出力ポート が使用されるのみである。この修正では、好ましくは、レーザーと干渉計の間に 追加の要素、つまリ、イソレータ２１が必要であるという短所を持つ。イソレー タは当技術において周知であり、詳細な説明は必要としない。

装置７に対するファイバ　オフテイクスを使用する幾つかの実施態様が考えらｎ る。１つの実施態様が第５図に示さ扛るが、これはファイバ　オプティック再循 環ループ１０３並びに方向性検出器１０１に使用する。この方向性検出器は入シ ビームを分割し、第１の部分をループ１０３を通じて、一方、第２の部分全直接 に結合器に送る。この結合器は、理想的には３ｄｂ結合器である。

つまシ、これはビームを等強度の２つの部分に分割する。

方向性結合器、並びにファイバ　オプティック　ループは、当業者において周知 であり、さらに詳細て説明することを避ける。装置７に対する第６図に示される 実施態様はファイバ　オプティック差分遅延ループ、つまり、セグメント４１及 び４３、並びに方向性結合器１２１及び１２３を含むマツハーツエンダー干渉計 を使用する。

結合器１２１はビームの第１の部分をセグメント４１を通じて送り、一方、第２ の部分をセグメント４３を通じて送る。この２つの部分は結合器１２３内ておい て再結台される。セグメント４１及びセグメント４３は片方の部分が他方の部分 よシ遅延して伝播さｎた後にこの２つの部分が再結合されるように異なる光経路 長を持つべきである。この方向性結合器は、例えば、ＬｉＮｂＯ３チップあるい はガラス上に集積された形式で製造することもてきる。マツハーツエンダー干渉 計の実現は当業者においては周知であり、ここで詳細に説明する必要はない。

装置７に対する第１図及び第６図に示される実施態様は説明の他の実施態様と比 較していくぶん優れているようである。この２つの好ましい実施態様はビームの 反射及び再循環を必要とせず、遅延時間は単にＴであり、Ｔと干渉計の精細度の 積ではない。好ましい実施態様は互いに補数である２つの出力を持つことに注意 されたい。

これによって、所望の出力ビームからの追加の光をタップ　オフすることなく、 フィードバック信号を得ることが可能である。

装置３の集積光学実施態様は周波数が増加され遅延が減少されると、バルク光学 実施態様と比較してより有利となる。つまり、チップ上への製造は相対遅延が固 定さｎ１フアイバの移動による影響を受けないため、ファイバ　オプティックよ フ好ましい。

ここに説明の強度変調方法は直流変調と比較して少なくとも２つの長所を持つ。

第１に、変調される電流の量。

は、典型的には１０ｍＡ以下であシ比較的に小さく、より簡単に高変調速度全達 成することができる。第２に、比較的小さな電圧変動のみが必要とされる。所望 の周波数変調は約０．３ボルトの電圧の変動で達成することができる。

ＩＧ　４ ｏｔ 国際調査報告 ｌＡＩ６ｍＷｌ＋。−１Ａｍａｌｌｌａ＋１゜、。ＰＣＴ／ＵＳ　８５１０１１ ６２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １レーザー（１１）； 周波数変調出力ビームを得るために該レーザーを周波数変調するための変調器（ ３）を含む強度変調光源において、該光源が； 該ビームの第１の部分を該ビームの第２の部分に対して遅延し、該２つの部分を 再結合することによって、振幅変調を遂行するための装置（７）を含むことを特 徴とする光源。 ２請求の範囲第１項に記載の光源において、該レーザーが半導体レーザーダイオ ードから構成されることを特徴とする光源。 ３請求の範囲第２項に記載の光源において、該遅延装置によって該２つの部分が ２つの異なる光経路長を伝播するようにされることを特徴とする光源。 ４請求の範囲第３項に記載の光源において、該遅延装置がマイケルソン干渉計て あることを特徴とする光源。 ５請求の範囲第３項に記載の光源において、該遅延装置がマツハーシェルダー干 渉計であることを特徴とする光源。 ６請求の範囲第５項に記載の光源において、該干渉計がバルク光学装置から構成 されることを特徴とする光源。 ７請求の範囲第５項に記載の光源において、該干渉計が集積光学装置から構成さ れることを特徴とする光源。 ８請求の範囲第３項に記載の光源において、該遅延装置がフアイバオプテイック 再循環ループを含むことを特徴とする光源。 ９請求の範囲第３項に記載の光源において、該光源及び該レーザーの出力を監視 するためのモニタ（５１、５３）を含むフィードバック安定化回路；及び該レー ザーに対するバイアス電流を調節するための回路（６５、６７、６３、６１）が さらに含まれることを特徴とする光源。