JP5425409B2 - Direct modulation or external modulation laser light transmission system with feedforward noise cancellation - Google Patents

Direct modulation or external modulation laser light transmission system with feedforward noise cancellation Download PDF

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Description

本発明は、アナログ又はデジタル信号光伝送システムに関し、特に、外部変調固体レーザを使用するシステムに関する。さらに、本発明は、多くのノイズ源、例えば半導体レーザ内における荷電キャリアのブラウン運動から生じるシステム内のノイズ成分（ホワイトノイズ）のキャンセレーション、あるいは、バイアス電流若しくはレーザの熱環境から生じるノイズ（これは周波数に反比例して変化するものであり、そのために、典型的には「１／ｆ」ノイズと呼ばれる）のキャンセレーションに関する。   The present invention relates to an analog or digital signal light transmission system, and more particularly to a system using an externally modulated solid state laser. In addition, the present invention provides for the cancellation of noise components in the system (white noise) resulting from the Brownian motion of charge carriers in a semiconductor laser, such as a semiconductor laser, or noise resulting from bias currents or the thermal environment of the laser (this). , Which varies inversely with frequency, and thus relates to cancellation of (typically referred to as “1 / f” noise).

発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザのアナログ強さを電気信号により直接変調することは、光ファイバ上の音声信号及びビデオ信号といったアナログ信号を伝送するための先行技術として知られた最も簡素な方法の一つと考えられている。かかるアナログ伝送技術は、デジタルパルスコード変調といったデジタル伝送や、アナログ又はパルス周波数変調が要求するものよりも大幅に小さなバンド幅しか要求しないという利点があるが、振幅変調を利用することは、典型的には送信器のノイズ特性及び歪曲特性に関してより厳格な要求を提起する。   Direct modulation of the analog intensity of a light emitting diode (LED) or semiconductor laser with an electrical signal is one of the simplest methods known as prior art for transmitting analog signals such as audio and video signals on optical fibers. It is considered one. Such analog transmission techniques have the advantage of requiring significantly less bandwidth than that required by digital transmission such as digital pulse code modulation or analog or pulse frequency modulation, but the use of amplitude modulation is typical. Presents more stringent requirements regarding the noise and distortion characteristics of the transmitter.

これらの理由のために、直接変調技術は、ゼロ分散の状態で光ファイバを用いる短い伝送リンクに対して適用される、１３１０ｎｍのレーザに関して使用されてきた。地下鉄及び長距離ファイバ伝送リンクに適用する場合には、リンクを低損失にするために、外部変調された１５５０ｎｍレーザを使用すること、典型的には非常に長い距離（１００ｋｍ）にわたり、高周波数（９００ＭＨｚ）のものを使用することが必要である。かかるリンクにおいては、ファイバリンクに現れる分散を介して振幅ノイズに変換されたレーザからの残留位相ノイズの変換が制限要因となることがある。
それゆえ、本発明は、アナログ光出力が地下鉄及び長距離光ネットワーク、特にブロードバンドＲＦ信号のアナログ伝送に使用できるようにする、レーザの位相ノイズに関するノイズキャンセレーションのための簡単で低コストのシステムを提供する課題に取り組むものである。 For these reasons, direct modulation techniques have been used for 1310 nm lasers applied to short transmission links using optical fibers with zero dispersion. For metro and long haul fiber transmission links, use of an externally modulated 1550 nm laser, typically over very long distances (100 km), to reduce the link loss, high frequency ( 900 MHz) is required. In such links, conversion of residual phase noise from a laser converted to amplitude noise through dispersion appearing in the fiber link may be a limiting factor.
Therefore, the present invention provides a simple and low-cost system for noise cancellation related to laser phase noise that allows analog light output to be used for analog transmission of metro and long-haul optical networks, particularly broadband RF signals. It tackles the issues it provides.

レーザの直接電流変調は、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）システムといったデジタル光伝送システムに使用するものとしても知られている。例えば、Ｋａｒｔａｌｏｐｏｕｌｏｓの「ＤＷＤＭネットワーク、デバイス、及び技術」（ＩＥＥＥプレス，２００３）の第１５４頁を参照されたい。   Laser direct current modulation is also known for use in digital optical transmission systems such as Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) systems. See, for example, page 154 of Kartalopoulos, “DWDM Networks, Devices, and Technologies” (IEEE Press, 2003).

１５５０ｎｍのアナログ光伝送システムにおいては、低ノイズ特性が求められることに加えて、システムは高度に線形性でなければならない。ある種のアナログ送信器に固有の歪みは、線形電気変調信号が線形的に光学信号に変換されるのを阻止し、代わりに信号に歪みを生じさせる原因となる。これらの効果は、チャンネル間の干渉を防ぐために高度の線形性が要求されるマルチチャンネルのビデオ伝送に特に有害である。高度に線形化されたアナログ光システムは、ブロードキャストＴＶ伝送、ＣＡＴＶ，インタラクティブＴＶ、及びビデオテレフォン伝送といった商業アナログシステムに広範に適用できる。   In a 1550 nm analog optical transmission system, in addition to requiring low noise characteristics, the system must be highly linear. The distortion inherent in some analog transmitters prevents the linear electrical modulation signal from being linearly converted to an optical signal and causes distortion in the signal instead. These effects are particularly detrimental to multi-channel video transmissions that require a high degree of linearity to prevent inter-channel interference. Highly linearized analog optical systems can be widely applied to commercial analog systems such as broadcast TV transmission, CATV, interactive TV, and video telephone transmission.

直接電流変調の代替として、持続波（ＣＷ）の外部変調レーザが光伝送システムの使用に対する従来技術において知られている。米国特許第５，６９９，１７９号明細書には、ファイバ誘導された混成２次（ＣＳＯ）歪成分を軽減するための、外部変調されたフィードフォワード線形化アナログ光送信器について記載されている。   As an alternative to direct current modulation, continuous wave (CW) externally modulated lasers are known in the prior art for use in optical transmission systems. US Pat. No. 5,699,179 describes an externally modulated feedforward linearized analog optical transmitter for mitigating fiber induced hybrid second order (CSO) distortion components.

光送信器その他の非線形送信器を線形化することは、ある期間にわたって研究されてきたが、提案された解決策は実際上の不都合に遭遇している。上述した用途の殆どは、バンド幅が、多くの実際上の実施にとって大き過ぎる。線形化のためのフィードフォワード技術は、光パワー結合器及び複数の光源といった複雑なシステム構成を要求する。擬似光学的フィードフォワード技術（Quasi-optical feedforward techniques）は、同様の複雑な問題に遭遇しており、極めて良好に調和する部品をさらに必要とする。しかしながら、後述するように、位相ノイズキャンセレーションに対するフィードフォワード技術は、多くの良好に改善された技術を使用して実施可能となる実用的な技術である。   Although linearizing optical transmitters and other nonlinear transmitters has been studied over a period of time, the proposed solution has encountered practical disadvantages. For most of the applications described above, the bandwidth is too large for many practical implementations. Feedforward technology for linearization requires complex system configurations such as an optical power combiner and multiple light sources. Quasi-optical feedforward techniques have encountered similar complex problems and require additional components that are very well matched. However, as will be described later, the feedforward technique for phase noise cancellation is a practical technique that can be implemented using a number of well improved techniques.

本発明より以前に、レーザの半導体構造における多様なノイズ源から生じる位相ノイズ成分をキャンセルする目的のために、外部変調レーザに位相変調器を結合して使用するものは存在していなかった。半導体レーザは、振幅（時として、相対強さノイズと呼ばれる）及び位相の両方にノイズを示すものである。ノイズそれ自体は、単一モードファイバ伝送においては、異なる波長において異なるように現れるが、ノイズ特性は本質的にレーザ波長から独立したものである。位相及び振幅ノイズをもたらす主要な内部機構は、そのレーザの活動領域内での自然放出である。自然放出されたフォトンは、誘導放出によって生成されたフォトンに対して特定の位相関係を持たないので、結果として生じる光フィールドの振幅及び位相の両方が影響を受ける。自然放出のプロセスは良く理解されており、そのノイズスペクトルが作動周波数内で本質的に一定（ホワイトノイズ）となるブラウン運動プロセスによって説明される。レーザの外部では、マイクロフォニックス（micro-phonics）、温度変動、及びバイアス電流ノイズといった環境作用が、光フィールドにおいて位相ノイズを生成することもできる。これらの事象は、典型的には「１／ｆ」依存性を伴うノイズスペクトルを表わす光位相ノイズをもたらす。   Prior to the present invention, there was no one that used a phase modulator coupled to an externally modulated laser for the purpose of canceling phase noise components arising from various noise sources in the laser's semiconductor structure. Semiconductor lasers exhibit noise in both amplitude (sometimes referred to as relative intensity noise) and phase. While the noise itself appears to be different at different wavelengths in single mode fiber transmission, the noise characteristics are essentially independent of the laser wavelength. The main internal mechanism that causes phase and amplitude noise is spontaneous emission within the active region of the laser. Since spontaneously emitted photons do not have a specific phase relationship with photons generated by stimulated emission, both the amplitude and phase of the resulting light field are affected. The process of spontaneous emission is well understood and is explained by the Brownian motion process whose noise spectrum is essentially constant (white noise) within the operating frequency. Outside the laser, environmental effects such as micro-phonics, temperature fluctuations, and bias current noise can also generate phase noise in the optical field. These events typically result in optical phase noise representing a noise spectrum with “1 / f” dependence.

本発明は、ノイズの駆動機構に関わらず、フィードフォワードキャンセレーションを通じて半導体レーザからの固有の位相ノイズを最小化することを探求するものである。   The present invention seeks to minimize intrinsic phase noise from a semiconductor laser through feedforward cancellation regardless of the noise drive mechanism.

本発明の目的は、外部的に変調されたレーザを使用する改善された光伝送システムを提供することである。   It is an object of the present invention to provide an improved optical transmission system that uses an externally modulated laser.

本発明の他の目的は、光伝送システムにおいて使用されるレーザ内のノイズを補償することである。   Another object of the present invention is to compensate for noise in lasers used in optical transmission systems.

本発明の他の目的は、外部変調された１５５０ｎｍアナログ光伝送システムに使用して位相ノイズ減退を改善するための外部位相変調器を提供することである。   Another object of the present invention is to provide an external phase modulator for use in an externally modulated 1550 nm analog optical transmission system to improve phase noise attenuation.

本発明のさらに別の目的は、位相補正回路と光信号に結合された位相変調器とを共に伴った外部変調レーザを使用する長距離伝送分散型光ファイバ媒体に適切な、高度線形性の光伝送システムを提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide highly linear light suitable for long-distance transmission dispersive optical fiber media using an externally modulated laser with a phase correction circuit and a phase modulator coupled to the optical signal. It is to provide a transmission system.

本発明のさらに別の目的は、長距離伝送分散型光ファイバ媒体に適切なアナログ光伝送システムにおける外部変調レーザからの残留位相ノイズを減少させるための位相シフト回路を提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide a phase shift circuit for reducing residual phase noise from an externally modulated laser in an analog optical transmission system suitable for long distance transmission dispersion optical fiber media.

本発明のさらなる目的は、ブロードバンドアナログ光伝送システムにおける位相ノイズ補償プロセスを提供することである。   It is a further object of the present invention to provide a phase noise compensation process in a broadband analog optical transmission system.

簡潔に、かつ一般的な用語で言えば、本発明は、レーザを有する遠隔受信器にファイバ光リンク上で伝送するための変調された光信号を生成する光送信器と、ＲＦ信号でレーザを外部変調して変調情報保持成分含む光信号を生成するための変調器と、レーザにおいて発生するノイズ信号をキャンセルするために変調器の出力に結合された位相変調器とを提供するものである。   Briefly and in general terms, the present invention includes an optical transmitter that generates a modulated optical signal for transmission over a fiber optic link to a remote receiver having a laser, and a laser with an RF signal. A modulator for generating an optical signal including a modulation information holding component by external modulation and a phase modulator coupled to the output of the modulator for canceling a noise signal generated in the laser are provided.

他の側面において、本発明は、付随する位相ノイズと共に光信号を生成する半導体レーザを有する遠隔受信器に分散ファイバ光リンク上で伝送するための変調された光信号を生成する光送信器と、レーザにおいて発生した位相ノイズを軽減するための光位相変調器を含むレーザ出力に結合されたノイズキャンセレーション回路と、位相変調器の出力に結合され、ブロードバンドアナログ無線周波数信号入力を受信し光信号を変調するための外部変調器とを提供するものである。   In another aspect, the invention provides an optical transmitter that generates a modulated optical signal for transmission over a dispersive fiber optical link to a remote receiver having a semiconductor laser that generates the optical signal with associated phase noise. A noise cancellation circuit coupled to the laser output, including an optical phase modulator for reducing phase noise generated in the laser, and a broadband analog radio frequency signal input coupled to the output of the phase modulator to receive the optical signal And an external modulator for modulation.

他の側面において、本発明は、アナログ又はデジタルＲＦ信号入力を伴った光送信器と、半導体レーザと、レーザを外部変調するための変調回路と、半導体レーザによって生成されるノイズに関する光の位相変調成分をキャンセルするための回路とを含む、分散ファイバ光リンク上で使用するための光伝送システムを提供する。   In another aspect, the invention provides an optical transmitter with analog or digital RF signal input, a semiconductor laser, a modulation circuit for externally modulating the laser, and phase modulation of light with respect to noise generated by the semiconductor laser. An optical transmission system for use on a distributed fiber optical link is provided that includes a circuit for canceling a component.

本発明の他の側面においては、半導体レーザの外部変調器からの出力光信号を、位相変調器への経路と周波数分別器への経路という２つの経路に分割して、アナログ信号伝送における位相ノイズを減少させるノイズキャンセレーション回路が提供される。位相変調キャンセレーション信号は、レーザによる位相ノイズの周波数又は位相依存性に合わせて振幅及び位相が調整される。信号の位相は、経路の一つにおける遅延又は位相調整要素によって同期される。そして、一次及び二次の信号は位相変調器によって再結合されて振幅変調のみを有する単一の光信号を生成する。すなわち、位相変調器は、結果として生じる位相ノイズが最小化され分散ファイバ光リンク上の伝送に対して適切なアナログ信号を生成することとなるように、半導体レーザからの一次の信号を変調する。   In another aspect of the present invention, an output optical signal from an external modulator of a semiconductor laser is divided into two paths, a path to a phase modulator and a path to a frequency discriminator, so that phase noise in analog signal transmission is obtained. A noise cancellation circuit is provided that reduces The amplitude and phase of the phase modulation cancellation signal are adjusted according to the frequency or phase dependence of the phase noise caused by the laser. The phase of the signal is synchronized by a delay or phase adjustment element in one of the paths. The primary and secondary signals are then recombined by the phase modulator to produce a single optical signal having only amplitude modulation. That is, the phase modulator modulates the primary signal from the semiconductor laser so that the resulting phase noise is minimized and produces an appropriate analog signal for transmission over the dispersion fiber optical link.

本発明のさらなる目的、利点、及び新規の特徴は、以下の詳細な説明を含む本明細書の開示、並びに本発明の実施から、当業者にとって明らかになるであろう。本発明は、好適な実施形態を参照して以下に記載されているが、本発明はこれらに限定されるものではないことを理解すべきである。ここでの教示事項を入手した当業者であれば、ここに記載され、特許請求され、本発明が十分に有益なものとなる、本発明の範囲内に含まれる、別の適用、修正、及び他の分野における実施形態が可能であることを認識するであろう。   Further objects, advantages and novel features of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the present disclosure, including the following detailed description, as well as practice of the invention. While the invention is described below with reference to preferred embodiments, it should be understood that the invention is not limited thereto. Those skilled in the art who have received the teachings herein will recognize other applications, modifications, and variations that are described and claimed herein, and which are within the scope of the invention, so as to make the invention sufficiently useful. It will be appreciated that embodiments in other fields are possible.

例示的側面及びその実施形態を含む本発明の詳細が、ここに記載される。図面及び以下の記載を参照して、同様の参照番号は同様の又は機能的に類似の要素を示すために使用され、非常に簡潔に図式化する方法で例示的実施例の重要な特徴を例示する意図である。さらに、図面は、現実の実施形態の全ての特徴を表現するものではなく、表現された要素の相対的な寸法を表わすものでもなく、一定の比率で表現されたものでもない。   Details of the invention including exemplary aspects and embodiments thereof are described herein. Referring to the drawings and the following description, like reference numerals are used to indicate like or functionally similar elements, and illustrate important features of example embodiments in a very concise manner. Is intended. Furthermore, the drawings do not represent all features of an actual embodiment, nor represent the relative dimensions of the represented elements, nor are they represented at a fixed ratio.

図１は、外部変調器を利用する米国特許第５，６９９，１７９号明細書に記載された先行技術の光送信器のブロック構成図である。全体が「１０」で示された送信器は、光ファイバ経路３０を通って遠隔受信器６０へ光信号を送信する。送信器１０は、持続波（ＣＷ）出力を生成する半導体レーザ１２を有している。かかるレーザの典型的な例は、分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザ／又はファブリー・ペロ型レーザであり、典型的には、１５５０ｎｍの波長の出力光ビームを生成するものである。レーザからの非変調の光信号は、光ファイバ１４によって変調器に結合される。変調器１６は、マッハツェンダ変調器のような単一の変調器、カスケードＭＺ変調器、あるいはフィードバック・リニアライザにおけるもののような２以上の変調器とすることができる。また、変調器１６は、端末１８及びライン２０を介して、ブロードバンドＲＦ信号、例えば、振幅変調残留側波帯（ＡＭ−ＳＤＢ）ケーブルテレビジョン（ＣＡＴＶ）信号又はビデオ信号を受信する。加えて、フィードフォワード・リニアライザが使用されるとき、端末２２及びライン２４を介して変調器１６に減極信号が供給される。この減極信号は、変調器１６内のエラー訂正変調器（不図示）への光入力を減極するために使用される。   FIG. 1 is a block diagram of a prior art optical transmitter described in US Pat. No. 5,699,179 using an external modulator. A transmitter, generally designated “10”, transmits an optical signal through the optical fiber path 30 to the remote receiver 60. The transmitter 10 includes a semiconductor laser 12 that generates a continuous wave (CW) output. A typical example of such a laser is a dispersive feedback (DFB) laser / or Fabry-Perot laser, which typically produces an output light beam with a wavelength of 1550 nm. The unmodulated optical signal from the laser is coupled to the modulator by optical fiber 14. Modulator 16 can be a single modulator such as a Mach-Zehnder modulator, a cascaded MZ modulator, or two or more modulators such as those in a feedback linearizer. Modulator 16 also receives broadband RF signals, such as amplitude modulated residual sideband (AM-SDB) cable television (CATV) signals or video signals, via terminal 18 and line 20. In addition, when a feedforward linearizer is used, a depolarized signal is provided to modulator 16 via terminal 22 and line 24. This depolarized signal is used to depolarize the optical input to an error correction modulator (not shown) within the modulator 16.

映像データを搬送する変調光信号は、ファイバリンク２６によって増幅器２８に結合される。増幅器２８は、典型的にはエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。増幅された光信号は、受信器６０に対するファイバ光伝送ライン３０に結合される。光ファイバ伝送ライン３０は、数キロメートルにわたって伸びる長距離リンクとすることができる。この場合において、信号を所望のレベルにブーストするために、ＥＤＦＡ２８などのライン増幅器が、ラインに沿った空間インターバルに設けられる。また、受信器６０においては、入ってくる光信号をブーストするために増幅器（不図示）が設けられる。そして、ブーストされた信号は光検出器に与えられ、受信器６０において復調され電気信号を生成し、ライン５０においてオリジナルのビデオ又はデータ信号を表現することになる。   The modulated optical signal carrying the video data is coupled to an amplifier 28 by a fiber link 26. Amplifier 28 is typically an erbium doped fiber amplifier (EDFA). The amplified optical signal is coupled to a fiber optic transmission line 30 for the receiver 60. The fiber optic transmission line 30 can be a long distance link extending over several kilometers. In this case, a line amplifier, such as EDFA 28, is provided at a spatial interval along the line to boost the signal to the desired level. In the receiver 60, an amplifier (not shown) is provided to boost the incoming optical signal. The boosted signal is then provided to the photodetector, demodulated at receiver 60 to produce an electrical signal, and represents the original video or data signal at line 50.

図２は、外部変調器を使用する、本発明の第１の実施形態に基づく光送信器のブロック構成図である。一般に１００で示された送信器は、遠隔受信器に対して光ファイバ経路３０上に光信号を送信する。送信器１００は、持続波（ＣＷ）出力を生成する半導体レーザ１０１を含む。かかるレーザの典型例は、分散フィードバック（ＤＦＢ）型レーザ、又はファブリー・ペロ型レーザであり、典型的には１５５０ｎｍの波長の光ビーム出力を生成する。   FIG. 2 is a block diagram of an optical transmitter according to the first embodiment of the present invention that uses an external modulator. A transmitter, generally designated 100, transmits an optical signal over the optical fiber path 30 to a remote receiver. The transmitter 100 includes a semiconductor laser 101 that generates a continuous wave (CW) output. A typical example of such a laser is a distributed feedback (DFB) type laser or a Fabry-Perot type laser, which typically produces a light beam output with a wavelength of 1550 nm.

図２のシステムにおいて使用されるエッジ放出（edge-emitting）型半導体レーザは、分散フィードバックレーザ（ＤＦＢ）が好ましいが、ファブリー・ペロ（ＦＰ）型レーザも同様に使用できる。ＦＰレーザが多くのモードの中で拡散する光エネルギを有するのに対し、ＤＦＢレーザの使用は、その光出力が主として単一のレーザ光発光モード（single lasing mode）に収められるので、好ましい手法である。好適な実施形態において、レーザは、１５３０〜１５７０ｎｍまでの範囲のレーザ光出力波長内にある外部キャビティレーザである。   The edge-emitting semiconductor laser used in the system of FIG. 2 is preferably a distributed feedback laser (DFB), but a Fabry-Perot (FP) laser can be used as well. While FP lasers have light energy that diffuses in many modes, the use of DFB lasers is a preferred technique because its light output is primarily contained in a single lasing mode. is there. In a preferred embodiment, the laser is an external cavity laser that is within a laser light output wavelength in the range of 1530 to 1570 nm.

レーザからの未変調光信号は、２つの部分に分割される。第１の部分は光ファイバ１０３によって変調器１０２に結合される。変調器１０２は、マッハツェンダ変調器のような単一変調器であってもよく、カスケードＭＺ変調器或いはフィードフォワード・リニアライザにおけるような２以上の変調器であってもよい。変調器１０２は、端末１０４及びライン１０５を介して、振幅変調残留側波帯（ＡＭ−ＳＤＢ）ケーブルテレビジョン（ＣＡＴＶ）、ビデオ信号、あるいはデジタル信号、といったブロードバンドＲＦ信号を受信する。アナログ信号は、１オクターブよりも大きい帯域幅を有し、複数のチャネルを搬送する。さらに、フィードフォワード・リニアライザが使用されるとき、図１の配置と同様の変調器に減極信号が供給される。減極信号は、変調器１０２におけるエラー訂正変調器（不図示）への光入力を減極するために使用される。   The unmodulated optical signal from the laser is split into two parts. The first portion is coupled to modulator 102 by optical fiber 103. The modulator 102 may be a single modulator such as a Mach-Zehnder modulator, or may be two or more modulators such as in a cascaded MZ modulator or a feedforward linearizer. Modulator 102 receives broadband RF signals, such as amplitude modulated residual sideband (AM-SDB) cable television (CATV), video signals, or digital signals, via terminal 104 and line 105. Analog signals have a bandwidth greater than one octave and carry multiple channels. In addition, when a feedforward linearizer is used, a depolarized signal is supplied to a modulator similar to the arrangement of FIG. The depolarized signal is used to depolarize the optical input to an error correction modulator (not shown) in the modulator 102.

上述したように、レーザの光信号出力は、２つの部分に分割され、一方の部分は変調器１０２に適用され、他方の部分は光ファイバ１０６によって周波数弁別器１０７に結合される。   As described above, the optical signal output of the laser is divided into two parts, one part applied to the modulator 102 and the other part coupled to the frequency discriminator 107 by the optical fiber 106.

周波数弁別器１０７の出力は、減衰器１０８に供給され、信号の振幅が適切に調節されて、レーザ１０１の位相ノイズ特性によってもたらされる位相変調成分の振幅と同程度のものとなる。   The output of the frequency discriminator 107 is supplied to the attenuator 108, and the amplitude of the signal is appropriately adjusted so that it is comparable to the amplitude of the phase modulation component caused by the phase noise characteristic of the laser 101.

次いで、減衰器１０８の出力は位相シフト回路１０９に接続される。この回路１０９は、回路要素１０７、１０８に与えられる信号出力のタイムラグを、変調器１０２に直接与えられる信号と比較して修正する。問題となるビデオ伝送バンド（従来のＣＡＴＶシステムに対して５０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ）においては、半導体レーザ１０１の位相ノイズは「ホワイト」に、つまり、ノイズスペクトル強度の密度が周波数から独立したものとなっている。この場合において、位相修正経路１０６、１０７、１０８、１０９は、一次経路１０３、１０２、及び１１０のものに正確に整合する遅延を伴った一定の（調整可能な）ゲインを有することが必要とされる。考慮する必要があるひとつの側面は、その信号上の周波数弁別器１０７の効果であり、特に位相修正経路における電気的変換プロセスのための光学（optical）の結果である。光信号がフォトダイオードによって検知されたとき、ショットノイズとして知られる現象が見られる。このノイズは、フォトダイオードにおけるフォトンを吸収する統計プロセスから生じて電子ホール対を生成する。このノイズは、全ての実践的な目的に対して不可避のものである。それゆえ、ショットノイズは、達成できる位相ノイズキャンセレーションの量に下限を課することとなる。   Next, the output of the attenuator 108 is connected to the phase shift circuit 109. This circuit 109 corrects the time lag of the signal output applied to the circuit elements 107, 108 compared to the signal applied directly to the modulator 102. In the video transmission band in question (50 MHz to 1000 MHz with respect to the conventional CATV system), the phase noise of the semiconductor laser 101 is “white”, that is, the density of the noise spectrum intensity is independent of the frequency. . In this case, the phase correction paths 106, 107, 108, 109 are required to have a constant (adjustable) gain with a delay that exactly matches that of the primary paths 103, 102, and 110. The One aspect that needs to be considered is the effect of the frequency discriminator 107 on the signal, especially the optical result for the electrical conversion process in the phase correction path. When an optical signal is detected by a photodiode, a phenomenon known as shot noise is seen. This noise arises from a statistical process that absorbs photons in the photodiode and produces electron hole pairs. This noise is unavoidable for all practical purposes. Therefore, shot noise imposes a lower limit on the amount of phase noise cancellation that can be achieved.

次いで、位相シフト回路１０９の出力は位相変調器１１０に与えられ、それによって光信号内にその位相変調器による位相修正をもたらし、その結果、レーザによって発生したノイズの修正又は補償を行う。   The output of the phase shift circuit 109 is then provided to the phase modulator 110, thereby resulting in phase correction by the phase modulator in the optical signal, resulting in correction or compensation of the noise generated by the laser.

フォトダイオードから発生する光電流のスペクトルノイズ密度は、次式で与えられる。
＜ｉn 2＞ ＝ ２ｅＩp The spectral noise density of the photocurrent generated from the photodiode is given by:
<I n 2> = 2eI p

ここで、ｅは電子の荷電量であり、ＩpはＤＣ光電流である。当業者であれば、ノイズパワーは受信した光パワーに線形依存するものであり、それゆえショットノイズ優位のプロセスの信号対ノイズ比は受信パワーの増大に伴い改善されるということを直ちに評価するであろう。これは、本発明における根本的な設計的妥協事項を表わすものである。位相修正経路１０６、１０７、１０８、１０９・・・の中にタップされたさらなるパワーは、送信器の光出力パワーを代償（expense）として極限の位相ノイズキャンセレーションを改善するものとなる。 Here, e is the charge amount of electrons, and I p is a DC photocurrent. Those skilled in the art will immediately appreciate that the noise power is linearly dependent on the received optical power, and therefore the signal-to-noise ratio of the shot noise dominant process improves with increasing received power. I will. This represents a fundamental design compromise in the present invention. The additional power tapped into the phase correction paths 106, 107, 108, 109... Improves extreme phase noise cancellation at the expense of transmitter optical output power.

位相変調器１１０の出力は、ファイバ１１１を通って増幅器１１２に結合され、増幅器１１２は、次に光ファイバ又はリンク３０に結合される。遠隔端では、光ファイバ又はリンク３０が受信器に接続され、図１に示したのと同じように受信した光信号をＲＦ信号に変換する。   The output of phase modulator 110 is coupled to amplifier 112 through fiber 111, which is then coupled to optical fiber or link 30. At the remote end, an optical fiber or link 30 is connected to the receiver and converts the received optical signal to an RF signal in the same manner as shown in FIG.

図３は、外部変調器を使用する、本発明の第２の実施形態に基づく光送信器のブロック構成図である。一般に２００で示された送信器は、遠隔受信器に対して光ファイバ経路３０上に光信号を送信する。送信器２００は、持続波（ＣＷ）出力を生成する半導体レーザ１０１を含む。かかるレーザの典型例は、分散フィードバック（ＤＦＢ）型レーザ、又はファブリー・ペロ型レーザであり、典型的には１５５０ｎｍの波長の光ビーム出力を生成する。レーザからの未変調光信号は、２つの部分に分割される。第１の部分は光ファイバ１０３によって位相変調器１１０に結合される。位相変調器１１０は、光信号の中の位相修正をもたらし、それによってレーザにより発生するノイズに対する修正又は補償を行う。位相変調器１１０のＣＷ出力は変調器１０２に結合され、変調情報保持光信号を生成する。   FIG. 3 is a block diagram of an optical transmitter according to the second embodiment of the present invention that uses an external modulator. A transmitter, generally designated 200, transmits an optical signal over the optical fiber path 30 to a remote receiver. The transmitter 200 includes a semiconductor laser 101 that generates a continuous wave (CW) output. A typical example of such a laser is a distributed feedback (DFB) type laser or a Fabry-Perot type laser, which typically produces a light beam output with a wavelength of 1550 nm. The unmodulated optical signal from the laser is split into two parts. The first portion is coupled to phase modulator 110 by optical fiber 103. Phase modulator 110 provides phase correction in the optical signal, thereby correcting or compensating for noise generated by the laser. The CW output of the phase modulator 110 is coupled to the modulator 102 to generate a modulated information holding optical signal.

変調器１０２は、マッハツェンダ変調器のような単一変調器であってもよく、カスケードＭＺ変調器或いはフィードフォワード・リニアライザにおけるような２以上の変調器であってもよい。変調器１０２は、端末１０４及びライン１０５を介して、振幅変調残留側波帯（ＡＭ−ＳＤＢ）ケーブルテレビジョン（ＣＡＴＶ）、ビデオ信号、あるいはデジタル信号、といったブロードバンドＲＦ信号を受信する。さらに、フィードフォワード・リニアライザが使用されるとき、図１の配置と同様の変調器に減極信号が供給される。減極信号は、変調器１０２におけるエラー訂正変調器（不図示）への光信号を減極するために使用される。   The modulator 102 may be a single modulator such as a Mach-Zehnder modulator, or may be two or more modulators such as in a cascaded MZ modulator or a feedforward linearizer. Modulator 102 receives broadband RF signals, such as amplitude modulated residual sideband (AM-SDB) cable television (CATV), video signals, or digital signals, via terminal 104 and line 105. In addition, when a feedforward linearizer is used, a depolarized signal is supplied to a modulator similar to the arrangement of FIG. The depolarized signal is used to depolarize the optical signal to an error correction modulator (not shown) in the modulator 102.

上述したように、レーザの光信号出力は、２つの部分に分割され、一方の部分は変調器１１０に適用され、他方の部分は光ファイバ１０６によって周波数弁別器１０７に結合される。   As described above, the optical signal output of the laser is divided into two parts, one part applied to the modulator 110 and the other part coupled to the frequency discriminator 107 by the optical fiber 106.

周波数弁別器１０７の出力は、減衰器１０８に与えられ、信号の振幅が適切に調節されて、レーザ１０１の位相ノイズ特性によってもたらされる位相変調成分の振幅と同程度のものとなる。   The output of the frequency discriminator 107 is provided to the attenuator 108, and the amplitude of the signal is appropriately adjusted so that it is similar to the amplitude of the phase modulation component caused by the phase noise characteristics of the laser 101.

次いで、減衰器１０８の出力は位相シフト回路１０９に接続される。この回路１０９は、回路要素１０７、１０８に与えられる信号出力のタイムラグを、変調器１１０に与えられる信号と比較して修正する。問題となるビデオ伝送バンド（従来のＣＡＴＶシステムに対して５０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ）においては、半導体レーザ１０１の位相ノイズは「ホワイト」に、つまり、ノイズスペクトル強度の密度が周波数から独立したものとなっている。この場合において、位相修正経路１０６、１０７、１０８、１０９は、一次経路１０３、１０２、及び１１０のものに正確に整合する遅延を伴った一定の（調整可能な）ゲインを有することが必要とされる。考慮する必要があるひとつの側面は、周波数弁別器１０７であり、特に位相修正経路における電気的変換プロセスのための光学（optical）である。光信号がフォトダイオードによって検知されたとき、ショットノイズとして知られる現象が見られる。このノイズは、フォトダイオードにおけるフォトンを吸収する統計プロセスから生じて電子ホール対を生成する。このノイズは、全ての実践的な目的に対して不可避のものである。それゆえ、ショットノイズは、達成できる位相ノイズキャンセレーションの量に下限を課することとなる。   Next, the output of the attenuator 108 is connected to the phase shift circuit 109. This circuit 109 corrects the time lag of the signal output provided to the circuit elements 107, 108 compared with the signal provided to the modulator 110. In the video transmission band in question (50 MHz to 1000 MHz with respect to the conventional CATV system), the phase noise of the semiconductor laser 101 is “white”, that is, the density of the noise spectrum intensity is independent of the frequency. . In this case, the phase correction paths 106, 107, 108, 109 are required to have a constant (adjustable) gain with a delay that exactly matches that of the primary paths 103, 102, and 110. The One aspect that needs to be considered is the frequency discriminator 107, specifically optical for the electrical conversion process in the phase correction path. When an optical signal is detected by a photodiode, a phenomenon known as shot noise is seen. This noise arises from a statistical process that absorbs photons in the photodiode and produces electron hole pairs. This noise is unavoidable for all practical purposes. Therefore, shot noise imposes a lower limit on the amount of phase noise cancellation that can be achieved.

本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、当業者であれば多くの変形及び修正が容易であろう。例えば、レーザ又は発光ダイオードを変調するビデオ又はマルチチャネルＴＶ信号を内容として記載及び図示したが、増幅器などの他の非線形デバイスは、本技術によって大幅に軽減させることができる固有の歪みを有する。一次（primary）及び二次（secondary）経路における信号の相対的な位相の微調整は、例示した実施形態においては二次経路において行われるが、この微調整は、粗調整と共に一次経路に配置することもできる。一次経路におけるかかる遅延は、この経路にとって不適当なインピーダンスを有するものとなるから、二次経路が好ましい。   Many variations and modifications will be apparent to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention. For example, while video and multi-channel TV signals modulating lasers or light emitting diodes have been described and illustrated, other non-linear devices such as amplifiers have inherent distortions that can be significantly reduced by this technique. Fine adjustment of the relative phase of the signals in the primary and secondary paths is done in the secondary path in the illustrated embodiment, but this fine adjustment is placed in the primary path along with the coarse adjustment. You can also A secondary path is preferred because such a delay in the primary path will have an impedance that is inappropriate for this path.

本発明にかかる技術及び装置の多くの側面は、デジタル回路、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、あるいはこれらの組み合わせにおいて実施可能である。本発明の回路は、プログラマブルプロセッサによって実行される機械読み取り可能記憶デバイスにおいて有形的に具現化されたコンピュータ製品において、また、このコンピュータ製品にダウンロード可能なネットワークノード又はウェブサイトに配置されたソフトウェア上で、あるいはオンデマンドで実施することができる。上述した技術は、例えば単一の中央処理装置、マイクロプロセッサ、１又は複数のデジタル信号プロセッサ、命令信号又は命令プログラムのシーケンスを実行し入力データを操作して出力を生成することによって本発明の関数を実行するための論理ゲートのゲートアレイ、あるいは配線論理回路によって実行することができる。本方法は、受信データ及びそこからの命令と送信データ及びそこへの命令とに結合された少なくとも１つのプログラマブルプロセッサと、データ記憶システムと、少なくとも１つの入出力装置と、少なくとも１つの出力装置とを含むプログラマブルシステム上で実行可能な、１又は複数のコンピュータプログラムにおいて有利に実施することができる。各コンピュータプログラムは、高レベルの手続き言語あるいはオブジェクト指向プログラミング言語で実装することができ、あるいは、必要であればアセンブリ又は機械語にて実装することもできる。いずれにせよ、言語は、コンパイル型又はインタープリタ型の言語である。適切なプロセッサは、例示として、汎用及び専用目的のマイクロプロセッサを含む。一般に、プロセッサは、リードオンリーメモリ及び／又はランダムアクセスメモリから命令及びデータを受信する。有形的に具現化されたコンピュータプログラム命令及びデータに対して適切な記憶デバイスとしては、全ての不揮発性メモリを含み、例示として、ＥＰＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭといった半導体デバイス、フラッシュメモリデバイス、内蔵ハードディスク及びリムーバブルディスクといった磁気ディスク、磁気光ディスク、及びＣＤ−ＲＯＭディスクが挙げられる。上述のいずれも、特別に設計された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）によって、又は組み込みとして補足することができる。   Many aspects of the techniques and apparatus of the present invention can be implemented in digital circuitry, computer hardware, firmware, software, or combinations thereof. The circuit of the present invention is implemented in a computer product tangibly embodied in a machine readable storage device executed by a programmable processor and on software located on a network node or website downloadable to the computer product. Or on demand. The technique described above is a function of the present invention by, for example, executing a sequence of a single central processing unit, a microprocessor, one or more digital signal processors, instruction signals or instruction programs and manipulating input data to produce output. Can be executed by a gate array of logic gates or a wiring logic circuit. The method includes at least one programmable processor coupled to received data and instructions from and transmitted data and instructions to the data storage system, at least one input / output device, and at least one output device. Can be advantageously implemented in one or more computer programs executable on a programmable system including: Each computer program can be implemented in a high level procedural or object oriented programming language, or it can be implemented in assembly or machine language if desired. In any case, the language is a compiled or interpreted language. Suitable processors include, by way of example, general purpose and special purpose microprocessors. Generally, a processor will receive instructions and data from a read-only memory and / or a random access memory. Storage devices suitable for tangibly embodied computer program instructions and data include all non-volatile memory, such as semiconductor devices such as EPROM and EEPROM, flash memory devices, built-in hard disks and removable disks. Examples include magnetic disks, magnetic optical disks, and CD-ROM disks. Any of the above can be supplemented by specially designed application specific integrated circuits (ASICs) or as embedded.

上述の要素の各々、又は２つあるいはそれ以上のものも互いに、上記形式とは異なる構造の他の形式において有益な適用を見出すことができることが理解できるであろう。   It will be appreciated that each of the above-described elements, or two or more, may also find beneficial application in other forms of construction different from the above form.

本発明は、光伝送システムにおいて具体化されるものとして例示及び記載されたが、本発明の趣旨をいかなる形であれ逸脱することなく多様な修正及び構造の変更が可能であるので、詳細に示したものに限定される趣旨ではない。   Although the invention has been illustrated and described as embodied in an optical transmission system, various modifications and changes in structure are possible without departing from the spirit of the invention in any way and will not be described in detail. It is not intended to be limited.

さらなる分析なしに、上述の事項は、先行技術の観点からみて、本発明の一般的又は特定の特徴の本質的特性を正しく構成するものと認められる特徴を割愛することなく、第三者者が現行の知識を適用することによって多くの用途に容易に適合させることができる本発明の要点を完全に示している。それゆえ、かかる適合は、次に続く特許請求の範囲と均等なものの意義及び範囲内に包含されるものであり、かつそのように意図されるものである。   Without further analysis, the above-mentioned matter may be considered by a third party without omitting features that are deemed to constitute the essential characteristics of the general or specific features of the invention correctly from the point of view of the prior art. It fully illustrates the gist of the present invention that can be easily adapted to many applications by applying current knowledge. Accordingly, such adaptations are intended and intended to be embraced within the meaning and scope of the equivalents of the claims that follow.

先行技術において既知の外部変調された光伝送システムの簡潔なブロック構成図である。1 is a simplified block diagram of an externally modulated optical transmission system known in the prior art. FIG. 本発明に基づいた光伝送システムの第１の実施形態のブロック構成図である。It is a block block diagram of 1st Embodiment of the optical transmission system based on this invention. 本発明に基づいた光伝送システムの第２の実施形態のブロック構成図である。It is a block block diagram of 2nd Embodiment of the optical transmission system based on this invention.

Claims (8)

光ファイバリンク上で遠隔受信器に伝送される変調光信号を生成する光送信器であって、
周波数スペクトル上に拡散するノイズを含む光信号を生成するレーザと、
前記ノイズを含む光信号をＲＦ信号で変調し、変調情報保持成分を生成する変調器と、
前記ノイズを含む光信号に付随する位相ノイズをキャンセルして出力信号を生成するための前記変調器の出力に結合された位相変調器と
を備えたことを特徴とする送信器。 An optical transmitter that generates a modulated optical signal that is transmitted over a fiber optic link to a remote receiver,
A laser that generates an optical signal containing noise that spreads over the frequency spectrum;
A modulator that modulates an optical signal including the noise with an RF signal and generates a modulation information holding component;
A transmitter comprising: a phase modulator coupled to an output of the modulator for canceling phase noise associated with the noise-containing optical signal and generating an output signal. 前記レーザは半導体レーザであり、前記位相変調器が前記ノイズを含む光信号内の前記位相ノイズ成分をキャンセルすることを特徴とする請求項１に記載の送信器。   The transmitter according to claim 1, wherein the laser is a semiconductor laser, and the phase modulator cancels the phase noise component in the optical signal including the noise. 前記ＲＦ信号はデジタル信号であることを特徴とする請求項１に記載の送信器。   The transmitter of claim 1, wherein the RF signal is a digital signal. 前記変調器は、マッハツェンダ変調器であることを特徴とする請求項１に記載の送信器。   The transmitter according to claim 1, wherein the modulator is a Mach-Zehnder modulator. 前記レーザの出力に接続された入力とフォトダイオードに結合された出力とを有する周波数弁別回路をさらに備え、これによって、前記ノイズを含む光信号における前記位相ノイズが前記位相変調器に与えられる変調電気信号に変換されて効果的な位相ノイズキャンセレーションが生じるようにされたことを特徴とする請求項１に記載の送信器。   A frequency discrimination circuit having an input connected to the output of the laser and an output coupled to a photodiode, whereby the phase noise in the optical signal containing the noise is provided to the phase modulator; 2. The transmitter according to claim 1, wherein the transmitter is converted into a signal so that effective phase noise cancellation occurs. 前記レーザの光出力の波長は、１５３０〜１５７０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の送信器。   The transmitter according to claim 1, wherein the wavelength of the optical output of the laser is in the range of 1530 to 1570 nm. 前記ＲＦ信号は、１オクターブよりも大きなバンド幅を有し、複数の識別できる情報搬送チャンネルを有するブロードバンドアナログ信号入力であることを特徴とする請求項１に記載の送信器。   The transmitter of claim 1, wherein the RF signal is a broadband analog signal input having a bandwidth greater than one octave and having a plurality of identifiable information carrying channels. 前記位相変調器は、選択的に調節可能であり、リンクの長さに依存する分散的光ファイバリンクによって生成される歪みを補償することを特徴とする請求項１に記載の送信器。   The transmitter of claim 1, wherein the phase modulator is selectively tunable to compensate for distortion produced by a dispersive fiber optic link depending on the length of the link.
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