JPS63234218A

JPS63234218A - 光変調増幅装置

Info

Publication number: JPS63234218A
Application number: JP62068219A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Tabuchi; 晴彦田淵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-03-23
Filing date: 1987-03-23
Publication date: 1988-09-29

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】〔目次〕概要産業上の利用分野従来の技術発明が解決しようとする問題点問題点を解決するための手段作用実施例実施例の構成とタイミング（第２図）他の実施例と半導体変調素子（第３図）発明の効果〔概要〕光変調増幅装置において、増幅器がらの戻り光が発振器
に入射することにより発振器の動作が不安定となって雑
音を発生したり、信号に歪を生じたりすることを解決す
るために、変調器、あるいは増幅器のどちらか一方、ま
たは両者について増幅器からの戻り光がある期間は変調
器を停止させ、逆に増幅器からの自然発光、あるいは戻
り光が変調器を通過し発振器まで帰還されて、発振器に
悪影響を与える可能性のある期間は増幅器の動作を停止
させるようにした構成をもつ光変調増幅装置を提起し、
発振器と増幅器の相互干渉を防止し、発振器が安定に動
作する安定な光変調増幅を行えるようにする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は光通信等に利用される２個以上のレーザ素子を
用いて行う光変調増幅装置の構成に関する。

光通信システムの性能向上のための重要な要素として、 ■　無中継伝送距離の長距離化 ■　変調周波数の高周波化がある。

■を実現する手段として、つぎのような方法がある。

（ａ）　　信号送信用光源の高出力化を行い長距離伝送
時の受信点での光出力のレベルを必要な値にたもつ。

（ｂｌ　　光源の発振周波数の単一化、安定化を行い受
信側でヘテロゲイン検波を行い受信感度を向上させるこ
とにより長距離伝送を行う。

■を実現する手段として、つぎのような方法がある。

（Ｃ）　　高速の外部変調素子を用いて変調を行う。

光通信システムの長距離化、大容量化のために、上記の
（ａ）〜（Ｃ）のいずれか、あるいはすべてを充たした
光源の出現が望まれる。

これらを実現するための技術的背景としては、大出力化
手段の１つとしてレーザ素子を２個以上直列に接続して
光増幅を行う方法があり、本発明ではＴａ）の実現のた
めにこれを用いた。

しかし、従来のレーザ素子を用いた増幅装置では増幅器
からの光の帰還により雑音が大きくなる等の問題があっ
たため、本発明では外部変調器を用い、変調器の光を変
調すると同時に変調器を一種のシャッタとして利用し、
変調器のシャッタ効果により光の帰還を回避する。本発
明で利用した外部変調器の利用は（Ｃ）を充たしている
。

さらに、発振器を一定の動作条件で、変調等の外乱を与
えずに作動させることができるため、発振器にＤＦＢ　
（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄ　Ｂａｃｋ）　レ
ーザを用いると発振器の発振周波数の安定性が向上し、
（ｂ）を充たすことができる。

〔従来の技術〕

第４図（１）、（２）は従来例による光変調増幅器の構
成と駆動方式を示す図である。

図において、（１１は構成、（２）は動作時における変
調器の動作タイムチャートと、発振器、変調器、増幅器
間の光の相対位置関係を示している。

第４図（１）において、ｌは発振器、２は変調器、３は
増幅器、４は伝送する信号を発生するための信号源、６
は発振器と変調器間で光を結合させるための導波路、７
は変調器と増幅器間で光を結合させるための導波路、８
は発振器よりの出射光、９は変調器を通過した光、ＩＯ
は増幅された光、１１は信号源の出力、１２は変調器に
入力される信号である。

ここでは、特に図示されていないが、増幅器から変調器
、および発振器へと帰還される戻り光も存在する。

ここで、発振器１、および増幅器３は連続動作状態にあ
り、また、変調器２は信号源４の信号で光を透過したり
遮断したりするシャッタ動作を行う。

増幅は、例えば電流により発振しきい値付近まで励起さ
れた半導体レーザより′なる増幅器３に、変調°器を通
過してきた発振器からの信号光９を入射させて行う。

このとき従来例では、増幅器が動作時常に放射している
自然放出光、および信号光が増幅器で増幅された後戻り
光となる光が発振器に戻るため、発振器の光とこれらの
戻り光との干渉を起こし、発振器に悪影響を与えるとい
う問題がある。

第４図（２）はその様子を示すものである。

第４図（２）において、１４は変調器の制御信号波形３
４．１６．１７はそれぞれ発振器、変調器、増幅器の空
間的な位置を示している。また、２９は増幅器の自然放
出による戻り光、３０は増幅器より発振器側に帰還され
る戻り光である。

ここで、変調器の制御信号波形１４は第４図（１）の信
号１１．１２と同一波形であり、オフ時は光を遮断し、
オン時は光を透過する。

図の左端に示された時間ｊ＋　％　ｊｚｓ　ｈ、・・・
の順序で時間が経過するものとする。

変調器ばｔ２〜Ｌ、の間と、ｔ、〜ｔ、の間に光を透過
する。

１、〜ｔｚ：変調器がオフ時で信号光９は変調器の位置１６より右側
に進まず、また増幅器の自然放出による戻り光２９は変
調器の位置１６より左側へは進まない。

ｔ３：変調器がオンになると信号光９、増幅器の自然放出によ
る戻り光２９はそれぞれ変調器の位置１６を越えて右、
左へ進行する。

変調器の位置１６を通過した信号光９は増幅されて、増
幅された信号光１０が現れてくる。

これと同時に増幅された光の一部は戻り光３ｏとなって
左側へ帰還を始める。

ｔ３の時点ですでに増幅器の自然放出による戻り光２９
は発振器に入射しており、発振器に悪影響を与える。

ｔ４：増幅器からの戻り光３０も発振器に戻るようになり発振
器の動作はますます不安定となる。

ｔ３〜ｔＳ−：増幅器からの光の帰還があり、発振器の動作を不安定に
する。

ｔ、〜ｔ、：この期間は変調器がオフとなり発振器からの光が速断さ
れているので重要でない。

ｔａからほの動作は、ｔｌからの動作と同様になり、以
下同じ動作が繰り返される。

つぎに、戻り光の特性に与える影響について説明する。

第５図（１１、（２）は戻り光の悪影響を説明する周波
数に対する雑音強度と光強度の関係を示す図である。

図において、（ａｌは戻り光あり、山）は戻り光なしの
場合を示す。

第５図＋１）は周波数に対する雑音強度の関係を示し、
戻り光があるときは図のように大きな雑音の増加が起こ
り、特に周波数ｆがｆ、　＝　Ｃ／２Ｌ　。

のときは、共振により大きい雑音が発生する。

ここに、Ｃは光速、Ｌは発振器と増幅器の距離である。

第５図（２）はＤＦＢレーザ等の単一軸モードレーザの
光のスペクトルを示した図である。

戻り光があるとスペクトル幅が拡がり光の品質が低下し
、特に光ヘテロダイン通信には利用できなくなる。

以上のように、従来の光変調増幅器では主に戻り光によ
り発振器の動作が不安定になる欠点がある。

従来より、レーザより出射した光を直接光ファイバーに
人力する場合の戻り光をカントするために偏光板とファ
ラデー回転素子を用いた光アイソレータが利用されてい
るが、これの能力は２０　ｄＢ（１／１００）である。

これに対し通常のレーザは０．０１％（１／１００００
）以下の戻り光により、大きな雑音増加とスペクトルの
変化を起こす。

例えば、増幅を行わないような場合は、ファイバ一端（
反射率０．４％）等からの反則であるため、アイソレー
タにより戻り光の量は０．００４％まで低下できる。

しかしながら、増幅を行う場合は、増幅器で増幅された
光が戻るため、戻り光量が大きくなり、アイソレータの
効果が殆どなくなってしまう。例えば増幅器の利得が１
００倍あれば、アイソレータは全く機能しなくなってし
まう。

さらに、叶Ｂレーザでは端面の反射率を下げているため
、通常のレーザより戻り光に対する耐性が数倍低下する
。これは現在ではかなり大きな問題となっている。

（発明が解決しようとする問題点）従来の変調増幅器装置では、増幅器からの戻り光と発振
器の出射光が干渉を起こし、出力光の雑音が増加したり
、あるいは光スペクトル幅が拡がるという問題があった
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点の解決は、半導体発光装置よりなる発振器と
、該発振器より出射する光を伝送する信号により光強度
変調を行う変調器と、該変調器より出る光を増幅する作
用をもつ半導体装置よりなる増幅器と、該変調器と該増
幅器の動作を断続する作用をもつタイミングコントロー
ラとを有し、該タイミングコントローラにより該変調器
、および該増幅器の少なくともどちらか一方の能動状態
と休止状態の切り換え制御を行い、該変調器は、該発振
器から該変調器を通過して該増幅器に達し該増幅器で増
幅された光が、再び該変調器を通過して該発振器に戻る
期間を休止状態とし、該増幅器は、該増幅器で増幅され
た光が該変調器を通過して該発振器に戻る期間と、該変
調器が能動状態にある期間が一致する期間について休止
状態として動作させるようにした光変調増幅装置により
達成される。

〔作用〕

第１図（１）〜（２）は本発明による光変調増幅装置の
構成と駆動方式を示す図である。（１１は構成を、（２
）は変調器と増幅器の動作タイミングと、発振器と増幅
器間を走行する光の空間位置を示した図である。

第１図（１１において、１は発振器、　２は変調器、　３は増幅器、４は伝送す
る信号を発生する信号源、５は変調器と増幅器の動作タイミングを制御するタイミ
ングコントローラ、６は発振器から出力されらた光を変調器に結合させるた
めの光導波路、７は変調器を通過した光を増幅器に結合させるための光
導波路、８は発振器より出力され、変調器に入射される光・９は変調器より増幅器に入射される信号光、１０は増幅
された信号光、１１は信号発生器より出力される信号、１２．１３はそ
れぞれ変調器と増幅器を制御する制御信号、２９は増幅器の自然放出による戻り光、３０は信号光９
が増幅された後戻される、増幅器よりの戻り光、Ｌは変調器と増幅器間の光学的距離である。

ここで、発振器１と増幅器３は直流電源により連続動作
をしている。

第１図（２）において、左端に示された時間ｔ、　、ｔｚ、ｔ３、・・・の順序
で時間が経過するものとする。

１４は変調器の制御信号１２の波形、１５は増幅器の制御信号１３の波形、　′で、高レベル
“１″にあるときは能動状態、低レベル“０”にあると
きは休止状態になる。

また、１６は変調器の空間的位置、１７は増幅器の空間的位置、を示し、これらの空間的位置１６．１７の間、および両
側に示された横線はそれぞれ時間Ｌ１％　ｊ２、ｔｌ、
・・・における光の空間的位置関係を示す。

発振器を出て変調器を通過した信号光９は実線で、増幅
器の自然放出による戻り光２９は一点鎖線で、増幅器に
より増幅された信号光１０は三重線で、増幅器からの戻
り光３０は点線で示される。

以下に本発明の作用について説明する。

変調器と増幅器をそれぞれ１４．１５のタイミングで動
作させる。ここで、Ｔ、は変調器と増幅器の間を光が走行するのに必要な時
間Ｔ以下、Ｔ２は変調器から出力された光が増幅器との間を１往復
するに要する時間（２Ｔ）以上の時間である。

このようなタイミングで動作させることにより変調器が
動作状態にあるｔ１〜ｔ３の間、あるいはｔ９〜ｔ１１
の間には増幅器からの戻り光が発振器に入射されなくな
る。

以下に時間を追ってその動作を説明する。

１）　１．〜ｔ３：この期間は変調器のみ動作しており信号光９は切り取ら
れ増幅器へ送らる。

２）ｔ、〜ｔ６：増幅器が動作状態となり、信号光９を増幅できるように
なる。これと同時にｔ４で示されるように増幅器の自然
放出による戻り光２９が左側へ戻され始める。ｔ４〜ｔ
６間では信号光９は増幅器を通過し増幅される。これに
より右に進む増幅された信号光ｌＯと、信号光１０が増
幅された後戻される、強い戻り光３０とを生じ、戻り光
３０は左に進む。

３）【６〜ｔ１□　：この期間は増幅器が休止状態となるため、増幅器よりの
自然放出による戻り光２９とまた増幅器からの戻り光３
０は発生しなくなる。

Ｌ、で探り光２９、および３０は変調器の位置１６と増
幅器の位置１７間に存在しなくなる。

ｔ３〜ｔ１間は変調器が休止しているため、戻り光２９
、および３０は変調器を通過できず、従って発振器には
帰還されない。

以後、ｔ、からはの動作は、ｔｌからの動作と同様にな
り、同じ動作が繰り返される。

以上のように、第１図（１）の構成をとると、変調器と
発振器との間には戻り光が存在しなくなる。

この結果、戻り光による発振器の雑音増加、発振スペク
トルの拡がりを防止できる。

〔実施例〕

第２図（１）、（２）は本発明の詳細な説明する光変調
増幅装置の構成と駆動方式を示す図である。（１）は構
成を、（２）は各部のタイミングを示した図である。

第２図（１）において、１１は信号源の出力、１２は変調器ドライバの出力、１３は増幅器ドライバの出力、２１は変調器を駆動するための変調器ドライバ、２２は
信号１１を遅延するための遅延装置、２３は信号２７の
パルス幅を拡げるためのパルス幅拡大装置、２４は増幅器を駆動するための増幅器ドライバ、２５は
発振器と変調器との光の結合を行うための導波路を形成
するレンズ、２６は変調器と増幅器との光の結合を行うための導波路
を形成するレンズ、２７は遅延装置の出力、２８はパルス幅拡大装置の出力である。

発振器１と増幅器３には半導体レーザを、変調器２には
音響光学変調器を使用し、発振器１と増幅器３は直流電
流により連続動作をさせる。

変調器ドライバ２１、増幅器ドライバ２４は信号１１．
２８が高レベルにあるときは電流、あるいは電圧を発生
し、低レベルにあるときは電流、あるいは電圧を発生し
ないように動作し、これにょっ°ζ、変調器と増幅器を
能動（動作）状態と休止状態に制御する。

また、増幅器３に流す電流は発振しきい値電流以下にし
、変調器と増幅器の距離りは３０　ｃ＋＋＋とする。

第２図（２）は、信号源４の信号パターンが“１１００
ピであるときの、各信号のタイミングを示したものであ
る。

図において、（ａｌは信号源の出力１１、（ｂｌは変調器ドライバの出力１２、（Ｃ）は遅延装置の出力２７、（ｄｌはパルス幅拡大装置の出力２８、（ｅ）は増幅器
ドライバの出力１３のタイミングチャートである。

ここで、高レベルの“ｌ”では能動状態４．低レベルの
“０”では休止状態になる。

各タイミングＴ＋−Ｔｚ、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ３、Ｔ６はそ
れぞれ１．０．２．２．３．２．０．９．１．１　、１
．２ｎｓｅｃである。

ここで、（ａｌ、（ｂｌは同じタイミグで、パルス幅　Ｔ、で周
！ＩＪｌ’ｈの信号、（Ｃ１は（ａｌのパルスの立ち上がりで遅延装置２２を
トリガし、Ｔ４の遅延を与えた信号、（ｄｌは（Ｃ）のパルスの立ち上がりでパルス幅拡大装
置２３をトリガし、パルス幅をＴ、とした信号、（ｅｌ
は（ｄｌと同じタイミングをもつ信号である。

第２図（１）の構成をとり、第２図（２）に示したタイ
ミング動作をさせることにより、第１図で説明したよう
に発振器への戻り光の影響を防止し、発振器が安定に動
作するようになる。

その結果、動作の安定した光変調増幅装置が実現される
。

実施例では、変調器に音響光学変調器を用いたが、これ
の代わりにＫＤＰ　、あるいは　ＬｉＴａ０：＋等を用
いて形成した電気光学変調器を用いてもよい。

第３図（１）、（２）は本発明の他の実施例を説明する
光変調増幅装置の構成とフランツケルディツシュ型の半
導体変調器の断面図である。

第３図（１）が第２図（１１と異なる点は変調器２に音
響光学変調器、あるいは電気光学変調器の代わりに、こ
れらより高速動作が可能なフランツケルディツシュ効果
を利用した半導体変調器を用いたことである。

第３図（２）のフランツケルディツシュ型の半導体変調
器の断面図において、５１はｎ−１ｎＰ基板、５２は光
４波路を構成するＩｎＧａＡｓＰ層、５３はｐ−ＩｎＰ
層、５４は反射防止（ＡＲ）コート、５５．５６は電極
、５７はｐｎ接合を逆バイアスするための直流電源、５
８は制御信号である。

ここで、ＩｎＧａＡｓＰ層５２のバン層成２ップは入射
光のエネルギよりもわずかに大きくなるようにする。

ＩｎＧａＡｓＰ層５２の基礎層成２（バンドギャップ）
よりわずかに大きいエネルギの光の吸収はＩｎＧａＡｓ
Ｐ層５２に電界層成２られないときは小さいが、電界が
加えられるとフランツケルディツシュ効果による電子の
波動の滲み出しにより吸収率が増加する。

この効果を利用して光を透過、あるいは吸収して光強度
変調、あるいはシャッタとしての動作を行わせる。

この場合は第２図の場合より高周波で変調できる効果が
ある。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本発明によれば、発振器と増
幅器からの戻り光との干渉が起こらなくなり、低雑音で
発振器のスペクトル幅の変化が少ない光変調増幅ができ
る。

また本発明は、外部変調器を用いることによりつぎのよ
うな効果もある。

■　発振器となるレーザをＣＷ　（連続発振）で動作さ
せることができるため、発振器を直接電流により変調（
光強度変調）する場合に比べ、発振波長の安定性等レー
ザの動作状態が安定する。

■　発振器は一定電流、一定出力動作であるため、叶Ｂ
レーザ等の単一軸モードレーザを用いた場合のの発振ス
ペクトルの幅等のスペクトル変化が起こらない。

■　外部変調器、およびシャッタに半導体の光吸収等を
利用した半導体変調素子を用いることにより、直接変調
の場合より高速変調が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図（１１〜（２）は本発明による光変調増幅装置の
構成と駆動方式を示す図、第２図（１）、（２）は本発明の詳細な説明する光変調
増幅装置の構成と駆動方式を示す図、第３図（１）、（
２）は本発明の他の実施例を説明する光変調増幅装置の
構成とフランツケルディツシュ型の半導体変調器の断面
図、第４図＋１１、（２）は従来例による光変調増幅器の構
成と駆動方式を示す図、第５図Ｃ１）、（２）は戻り光の悪影響を説明する周波
数に対する雑音強度と光強度の関係を示す図である。図において、５はタイミングコントローラ、６．７は先導波路、８は発振器より出力される光、９は変調器より増幅器に入射される信号光、１０は増幅
された信号光、１１は信号発生器より出力される信号（信号源の出力）、１２は変調器を制御する制御信号（変調器ドライバの出力）、１３は増幅器を制御する制御信号（増幅器ドライバの出力）、１４は変調器の制御信号１２の波形、１５は増幅器の制御信号１３の波形、１６は変調器の空間的位置、１７は増幅器の空間的位置、２１は変調器ドライバ、２２は遅延装置、２３はパルス幅拡大装置、２４は増幅器ドライバ、２５．２６は導波路を形成するレンズ、２７は遅延装置
の出力、２８はパルス幅拡大装置の出力、２９は増幅器の自然放出による戻り光、３０は増幅器か
らの戻り光、Ｌは変調器と増幅器間の光学的距離である。

Claims

【特許請求の範囲】半導体発光装置よりなる発振器と、該発振器より出射す
る光を伝送する信号により光強度変調を行う変調器と、
該変調器より出る光を増幅する作用をもつ半導体装置よ
りなる増幅器と、該変調器と該増幅器の動作を断続する
作用をもつタイミングコントローラとを有し、該タイミングコントローラにより該変調器、および該増
幅器の少なくともどちらか一方の能動状態と休止状態の
切り換え制御を行い、該変調器は、該発振器から該変調器を通過して該増幅器
に達し該増幅器で増幅された光が、再び該変調器を通過
して該発振器に戻る期間を休止状態とし、該増幅器は、該増幅器で増幅された光が該変調器を通過
して該発振器に戻る期間と、該変調器が能動状態にある
期間が一致する期間について休止状態として動作させるようにしたことを特徴とする光変調増
幅装置。