WO2004113998A1

WO2004113998A1 - 光変調装置

Info

Publication number: WO2004113998A1
Application number: PCT/JP2004/008762
Authority: WO
Inventors: Masamichi Fujiwara; Junichi Kani; Koji Akimoto; Katsumi Iwatsuki
Original assignee: Nippon Telegraph And Telephone Corporation
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2004-12-29
Also published as: EP1635211A4; EP2253992A3; EP2253991A3; EP2253991B1; EP2253991A2; EP2253992B1; US20070127113A1; US7474460B2; EP2253992A2; US20060024066A1; JP3850866B2; EP1635211B1; JPWO2004113998A1; US7336414B2; EP1635211A1

Abstract

双方向光増幅器を含む反射型の光変調器、またはその光変調器を複数組み合わせた多波長一括光調装置に対して、双方向光増幅器の利得と光変調器の損失の関係を数値限定し、または偏波回転手段を挿入することにより、双方向光増幅器の端面における反射光の影響を低減し安定した増幅機能を実現した光変調装置が提供される。多段に接続した複数の半導体光増幅器(ＳＯＡ)を含む透過型の光変調装置に対して、それらＳＯＡの1つおきに光アイソレータを挿入することにより、反射光の影響を低減し安定した増幅機能とコストの低減とを同時に実現した光変調装置が提供される。

Description

技術分野

本発明は、光通信に利用する光変調装置に関し、特に、半導体光増幅器のような光増幅器と光強度変調器とを組み明合わせて構成される光変調装置の構成技術に関する。

田背景技術

従来から、光短パルスレ一ザ、あるいは振幅変調/位相変調により生成した複数の光搬送波を含む多波長光を、波長多重（W D M ： Wavelength Divis ion Mul t iplexing)信号伝送に用いる方式が検討されてきた。このような多波長光は、各サイドモードのスぺクトル間隔がすべて等しく、サイドモードを波長分離して得られるチャネルはすべて等しい波長間隔になる。従って、このような多波長光は、チャネルごとに個別のレーザを用意してチャネルごとに波長を設定する方法による多波長光よりも、波長配置に関して簡便である。

多波長光を用いた WD M信号伝送システムを実現する上で、光変調回路構成の簡易化、および経済化が重要な課題の一つである。 F I G. 1に、従来の光変調回路の構成を示す。多波長光源 1 0 1から発生した多波長光は、波長分波器 1 0 3により波長分波された後、各々の光強度変調器 1 0 5で変調され、波長合波器 1 0 7により再度合波される。 F I G. 1に示す構成では、透過中心波長の絶対値の等しい 2つの波長合分波器 1 0 3、 1 0 7が必要であることから、 F I G. 2に示すような、 1つの波長合分波器 2 0 7と、 1つあるいは複数の光強度変調器 2 0 9と、この光強度変調器の個数に等しい反射鏡 2 1 1とで構成した光変調装置が提案されている（特開 2 0 0 2— 3 1 8 3 7 4号公報参照）。

F I G. 2に示す光変調装置では、光入力手段 2 0 1の入力ポート 2 0 3から入力した多波長光は、入出力ポート 205を通って波長分波器 207により波長分波された後、各々の光強度変調器 209で変調され、光反射器 21 1で反射されて、もとの光路を戻り、再び波長合波器 207により再度合波され、入出力手段 201 の出力ポート 213から出力される。この装置構成によれば、 1つの波長合分波器 207だけで構成できるので、波長合分波器の透過中心波長合わせが容易となり、かつ装置コストの削減が可能となる。

F I G. 1および F I G. 2のいずれにおいても、各波長の光パワーは、波長合分波器などの使用される光デバイスの損失によって減少する。また、多波長光源と光変調器が物理的に離れた位置にあるシステムでは、その間を結合する光ファイバ伝送路の損失が無視できなくなる。 WDM信号パワーの低下は、信号対雑音比（S NR： Signal-to- Noise Ratio)の悪化を招くため、 F I G. 1の109、あるいは F I G. 2の 215に示すような光増幅器を用いてパワーを増幅する必要がある。

F I G. 1および F I G. 2には、多波長光の波長域をすベてカバ一する広帯域の光増幅器を用いて、 WDM信号パヮ一を一括して増幅する例が開示されている (特開 2003— 18853号公報参照）。この例では、波長多重された変調光の偏波に依存せずに、その光強度を増幅する偏波無依存光増幅器が用いられている。このような光増幅器には、エルビウム（E r)添加光ファイバ増幅器（EDFA ： Erbium Doped Fiber Ampl i fier)などの光ファイバ増幅器が用いられるのが一般的である。 EDFAは、石英ガラス光ファイバのコア部分にエルビウムイオン E r³⁺ を添加することにより、そのイオンの固有な遷移での誘導放出を用いて、光フアイバ内を進行する光を増幅させる光増幅器である。一方、光通信に用いられる光増 Φ; 器として、半導体光増幅器（SOA ： Semkonducior Optical Amplifier)が開発されている。 SOAは、半導体レ一ザの共振器端面を低反射化することにより、半導体内の活性層を進行する光を誘導放出により増幅させる光増幅器である。

上記のいずれの光増幅器も利得帯域は 30 nm以上と広帯域であるが、励起準位にあるキャリアの寿命時間が大きく異なる。 EDFAは、複数の離散的な励起エネルギー準位からの遷移により利得広がりが形成されるため、キヤリァ寿命時間は m s (ミリ秒）オーダと長く、利得広がりは不均一となる。一方、 S O Aは、キヤリァ寿命時間は n s (ナノ秒）オーダと短く、利得広がりは均一とみなせる。通常、光増幅器は、高出力を得るために利得の飽和領域において動作される。利得の飽和領域において、複数の異なる信号波長を増幅する場合、利得広がりの均一な光増幅器では、各々の波長が利得の奪い合いを行い、チャネル間のクロストークが生じて信号波形が劣化する。従って、 WD M信号を一括して増幅する場合には、上述のように E D F Aなどの光ファイバ増幅器が用いられるのが一般的である。しかしながら、半導体を注入電流により励起させる S OAと、励起光を出力する半導体レーザ、エルビウムなどを添加した添加物光ファイバ、励起光を添加物光ファイバに結合する結合器から構成される E D F Aとを比較すると、 S OAが部品点数の観点から逢かに経済的であると言える。特に、 1信号波長を増幅する場合には S O Aの方が適している。

光ファイバ増幅器を用いて" WDM信号を一括して増幅するには、波長合分波器、光強度変調器などの光構成部品で生ずる光の損失を補うため、光増幅器の高出力化が必須である。しかしながら、多波長光の波長域をすベてカバーする広帯域、かつ高出力の光増幅器は、たとえ一つでも非常に高価である。従って、要求される波長帯域と出力によっては、各波長を S OAによって個別に増幅する構成の方が、光フアイバ増幅器を用いる構成よりも、より廉価に光変調回路を実現できる場合がある。さらに S O Aは、以下のような利点もある。

· S OAは注入電流を変調信号に応じて変化させることにより、変調器として利用可能である。

• S OAは電界吸収型変調器（E A変調器： Electro Absorpt ion変調器）などと集積化が可能である。

次に、 S O Aを利用した光変調装置の典型的な構成例について説明する。

(従来例 1 )

F I G. 1に示す光強度変調器 1 0 5に利用可能な従来の光変調装置の構成例を従来例 1として F I G. 3に示す。従来例 1の装置は、 S OAを変調器 3 0 6として利用し、光変調装置 3 0 3が光源と離れた位置にある場合を想定して図示されている。 S O Aの変調器 3 0 6の両端は、光信号が入力される入力伝送路 3 0 1、および、光信号が出力される出力伝送路 3 0 9に結合される。しかしながら、これら入出力伝送路内には、図示していないが、光フィルタ、光力ブラなどの各種光デバイスや、光コネクタ、スプライス（spUce) などが含まれ、またこの図では省略されているが、入出力伝送路 3 0 1と S OAの変調器 3 0 6の間には波長合分波器が挿入されており、それら構成部品はすべて反射点となる。これらの反射点が S O A の光増幅部 3 0 6の両端側に存在するわけであるから、これらの反射点と S O Aで光共振器を成すことになり、その結果 S O Aの動作が不安定になることもあると考えられる。この不都合を防ぐためには、 F I G. 3に示すように、 S OAの両端には単一方向の光のみを透過させる光アイソレー夕 3 0 5、 3 0 6が挿入される。 (従来例 2 )

F I G. 2の光変調回路に適用される従来の光変調装置の構成例を従来例 2として F I G. 4に示す。 F I G. 4には 2つのタイプの光変調装置 4 0 5 , 4 0 7の構成が示されている。一つのタイプの光変調装置 4 0 5は、波長合分波器 4 0 3で分波された連続光の光パワーを双方向光増幅器 4 0 9において増幅し、光強度変調器 4 1 1に入力してデ一夕信号により強度変調して変調光とした後、光反射器 4 1 3により反射させて、光強度変調器 4 1 1、双方向光増幅器 4 0 9を再度通過させる構成である。もう一つのタイプの光変調装置 4 0 7は、波長合分波器 4 0 3で分波された連続光の光パワーを双方向光増幅器 4 1 5において増幅し、光サーキユレ一夕 4 1 7を用いてつくられた光ループに入力して、この光ループ内に配置された光強度変調器 4 1 9においてデータ信号により強度変調して変調光とした後、光サーキユレ一夕 4 1 7を経て、双方向光増幅器 4 1 5を再度通過する構成である。前者の光変調装置 4 0 5においては、光反射器 4 1 3を、光強度変調器 4 1 1とは別体の単品としてもよいし、光強度変調器 4 1 1の端面に貼り付けて一体化した構成のものとしてもよい。

F I G. 4の構成で用いられる双方向増幅器 4 0 9、 4 1 5は、 1波長の増幅を行えればよいので SO Aが適当である。しかし、 S OAを双方向光増幅器 409、 15として用いると、利得の飽和領域において連続光と変調光の間の利得の奪い合いが信号劣化を引き起こす。つまり、光増幅器 409, 415の内部において連続光が変調光の信号パターンにより変調されることになる。

そのため、 F I G. 5に示すように、連続光と変調光の双方向光増幅器 409、 15からの出力パワーの和（もしくは入力パワーの和）が、ある出力パワー（もしくは入力パワー）以下において、利得が一定に保たれる利得の未飽和領域で使用されることが望ましい。

(解決すべき課題）

F I G. 3で示された従来例 1の構成では、 S OA 306の両端に光アイソレータ 305, 307を挿入しても、 SO A素子そのものの端面反射の問題が残る。通常、 SOA306の端面に無反射コートを施すことにより、端面反射率は低減化されており、一般にこの端面反射率の値は、伝送路反射の反射率の値などよりも小さい。しかしながら、 SOA306の利得が大きいと、光変調装置 303は共振器としての効果が大きくなり、増幅動作が不安定になる。つまり、端面反射率の値は、 S OAに許容する利得の大きさを制限することになる。したがって、 S OAにより高利得増幅を実現するには、例えば F I G. 6に示すように、 S OAを多段に接続する必要がある。

SO Aの多段に接続する構成として、 SOA + EA変調器（EA変調器にっぃては後述）のカスケ一ド構成を 2段に接続したものが提案されている（参考文献 1 : Ohraan, F.； Bischof f, S.； Tromborg, B.； Mork, J.； Noise properties and cascadabi 1 i ty of SOA-EA regenerators" , Lasers and Electro-Optics Society, 2002. LE0S 2002. The 15th Annual Meeting of the IEEE , Volume: 2 , 2002 Page(s)： 895 -896)。 SOAを多段にした場合に、光反射の影響を最小限にするためには、 F I G. 6に示すように多段に接続したすべての SO Aの入出力端に光アイソレー夕を挿入すればよいが、コストの観点から望ましとは言えない。また、参考文献 1 では、光アイソレ一夕の挿入についての記述は一切ない。また、 F I G. 4に示した従来例 2の構成では、双方向光増幅器（S O A) 4 0 9、 1 5の両端における反射光 1と反射光 2が存在する。双方向光増幅器 4 0 9、 4 1 5の端面は無反射コートにより低反射化されているとはいえ、その端面反射の前後にその反射光のパワーが増幅されるために、その反射光の値は大きく、その反射光は信号光と干渉して雑音になる。なお、反射光 1、反射光 2については、後述の F I G. 8に関する説明で詳しく述べる。発明の開示

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、光増幅器を多段に接続構成した光変調装置、ないしは光増幅器を双方向光増幅器として含む光変調装置において、光増幅器の内部を通過する反射の影響を考慮したデバイス仕様設計、デバイス構成により、反射光の影響を低減した安定な増幅機能を達成し、かつ経済的な光変調装置を提供することにある。

本発明の第 1の態様（aspect) は、双方向光増幅器を含む反射型の光変調器、およびこの光変調器を複数組み合わせた多波長一括光調装置に対して、双方向光増幅器の利得と光変調器の損失の関係を数値限定することにより、双方向光増幅器の端面における反射光の影響を低減し、安定した増幅機能を達成する。

本発明の第 2の態様は、双方向光増幅器を含む反射型の光変調器、およびこの光変調器を複数組み合わせた多波長一括光調装置に対して、偏波回転手段の挿入を行なうことにより、双方向光増幅器の端面における反射光の影響を低減し、安定した増幅機能を達成する。

本発明の第 3の態様は、多段に接続した半導体光増幅器（S O A) を含む透過型の光変調装置に対して、 1つおきに光アイソレータを揷入することにより、反射光の影響を低減することによる安定した増幅機能とコストの低減とを同時に達成する。図面の簡単な説明

F I G. 1は従来の光変調回路の構成を示すブロック図である。

F I G. 2は従来の反射型光変調装置の構成を示すブロック図である。

F I G. 3は半導体光増幅器を利用した従来の光変調装置の構成を示すブロック図である。

F I G. 4は双方向光増幅器を利用した従来の光変調装置の構成を示すブロック図である。

F I G. 5は半導体光増幅器の未飽和領域を説明するグラフである。

F I G. 6は半導体光増幅器を多段接続して高利得増幅を実現する光変調装置として考えられる構成を示すブロック図である。

F I G. 7は複数の半導体光増幅器を多段接続した時の反射光の様子を示す概念図である。

F I G. 8は半導体光増幅器の反射光を説明する概念図である。

F I G. 9は 2個の半導体光増幅器を多段接続した時の反射光の様子を示す概念図である。

F I G. 1 0は F I G. 9における信号光に対する反射光の割合を説明する図である。

F I G s . 1 1 A— 1 1 Cはそれぞれ本発明の第 1の実施形態の光変調装置の構成を示すブロック図である。

F I G S . 1 2 A— 1 2 Cはそれぞれ本発明の第 2の実施形態の光変調装置の構成を示すブロック図である。

F I G. 1 3は本発明の第 3の実施形態の光変調装置の特性を説明するグラフである。

F I G. 1 4は本発明の第 4の実施形態の光変調装置の構成を示すブロック図である。

F I G. 1 5は本発明の第 4の実施形態における偏波面の方向を説明する模式図である。 F I G. 16は本発明の第 5の実施形態の光変調装置の構成を示すプロック図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して本発明の最良の実施形態を詳細に説明する。

(第 1の実施形態）

本発明の第 1の実施形態は、多段に接続した半導体光増幅器（SO A) を含む透過型の光変調装置に対して、 1つおきに光アイソレータを挿入することにより、反射光の影響を低減することによる安定した増幅機能とコストの低減とを同時に実現するものである。本実施形態の具体的な構成例を説明する前に、その原理を説明する。

く S O Aを多段接続した時の反射光〉

F I G. 7は、複数の S OAを多段接続した時の反射光を説明する図である。この多段接続構成において、光変調装置として機能するためには、使用する SO Aのうちの 1つを光強度変調器として使用するか、もしくは外部変調器を挿入する必要があるが、ここでは反射光の説明を簡単化するために、すべての SOAを単に光増幅器として機能させることとする。

F I G. 7において、 n (>=2) 個の半導体光増幅器い S ₂, ··, S _i;

··， S_n) が、入出力を含む n+ 1個の光パス（x_1; x₂， ··， ··, x_{n + 1}) により直列に結合され、その入出力は、それぞれ、入力側伝送路 301、出力側伝送路 309に接続されている。上述したように入出力伝送路 301, 309は反射点となる。また、 SOA (S,, S₂, ··， Si, ··, S_n) は素子そのものの両端に反射端を持っため、 SO A自体が反射点なる。

F I G. 8は、 SO Aの反射光を説明する図である。 3〇八の利得8ぃ端面反射率 rとすると、光パヮ一 1の光が SO Aに入射された時、 SOAの反射光パワーは g i² rとなり、端面反射率が ²倍される。この反射はそれぞれの SO Aにつき双方向で起こりうる。 F I G. 7では、信号光の進行方向と同一方向の反射を入力側から順に、 Re f

(0) , Re f (1)， ··， Re f ( i), --Re f (n)、逆方向の反射を入力側から順に、 r e f (1), r e f (2), ··, r e f (i)， ·· r e f (n+l)、としている。 Re f (0) および r e f (n+1) は、それぞれ、入力側伝送路反射および出力側伝送路反射であり、それ以外の反射 Re f (i), r e f (i) は、半導体光増幅器 S；の双方向の反射を表す。

反射光の影響について、簡単のため n= 2の場合について考える。 F I G.9は、 n= 2の場合の反射光を説明する図である。 Re f (0)， Re f (1), Re f (2) は信号光の進行方向と同一方向の反射、 r e ί (1), r e f (2), r e f (3) は逆方向の反射を表す。 Re f (0) および r e f (3) は、それぞれ、入力側伝送路反射および出力側伝送路反射であり、 Re f (1)， r e f (1) および Re f (2), r e f (2) は、それぞれ、半導体光増幅器 S および S ₂の反射である。一般に反射が問題となるのは、信号光の進行方向と逆方向の反射（1回目の反射）に引き続いて、同一方向の反射（2回目の反射）が起こり、それが信号光と干渉して信号光パワーが不安定になることによる。 F I G. 9においては、 SOAの利得が含まれるため、反射光はその利得により増幅され、その影響はより大きくなる。

F I G. 9における R e f (i) および r e f ( i ) の反射率を、それぞれ、 R

(1) および r (i) (但し、 1く = iく =3) とした時の信号光に対する 2回反射光の割合を説明する図が F I G. 10である。 F I G. 10に示すように、 r e f (i) に引き続いて Re f (i一 1) の反射が起こる場合には、信号光に対する 2回反射光の割合は、反射点の反射率の 2乗のオーダであるが、 r e f (i) に引き続いて Re f (i -2) ないし Re f (i一 3) の反射が起こる場合には、信号光に対する 2回反射光の割合は、反射点の反射率の 2乗のオーダに対して、通過する S OAの利得の 2乗倍だけ大きくなる。

F I G. 10は、 n= 2の場合について示しているが、一般に n個の S OAを多段接続したときには、 r e f (i)に引き続く Re f (i— 2)， Re f (i— 3), ··, Re f (0) の反射は、 r e f (i) に引き続く Re f (i - 1) の反射と比較して、それぞれ、 s i— L S卜丄 + S i一 ₂, ··, S i一丄 + s卜 ₂ + -' + s丄の利得の

2乗倍だけ、信号光に対する反射光の割合のオーダが大きくなる（但し、 l<= i く =n+ 1)。

従って、 r e ί (i) に引き続く Re f ( i— 1) の反射を許容し、 r e f ( i) に引き続く Re f (i -2), Re f ( i - 3), ··, Re f (0) の反射を防ぐには、光パス（X Χ₂， · ·， X；, ··, x_n+1) に対して一つおきに光アイソレー夕を揷入すればよい。

く具体的構成例〉

F I G s . 11 A— 11 Cは、上記のように光パスに対して一つおきに光ァイソレータを挿入した本発明の第 1の実施形態の光変調装置の構成を説明する図である。ここで、〇ぃ 0₂は光アイソレータである。第 1番目の光アイソレータ 0丄は入力側伝送路と第 1番目の SOA Si間の第 1番目の光パス：に挿入され、第 2番目の光アイソレータは第 2番目の SOA S₂と第 3番目の SOA S₃ 間の第 3番目の光パス x₃に揷入されている。このように、本実施形態では、光パスに対して一つおきに光アイソレ一夕を挿入することを特徴としている。

また、本例では、 S 0 Aの個数 n = 3であり、そのうちの任意のいずれか 1つを、注入電流を送信信号により強度変調することにより光強度変調器（MOD) として使用している。すなわち、 F I G. 11 Aでは、第 3番目の SOA S₃を光強度変調器として使用し、 F I G. 11 Bでは、第 2番目の SOA S₂を光強度変調器として使用し、 F I G. 11 Cでは、第 1番目の SOA Siを光強度変調器として使用している。

光アイソレ一夕と光強度変調器についての上記の配列関係は、 S〇 Aの個数 nが 2の場合や、 4以上になっても同様である。

この実施形態の構成により、連続光を出力する光源と光強度変調器が伝送路を介して離れた位置にある光通信システムにおいて、伝送路における光パワー損失の補完と変調動作を同時に達成する装置を実現できる。

(第 2の実施形態） F I Gs. 12A-12Cは、本発明の第 2の実施形態の光変調装置の構成を説明する図である。本実施形態は、第 1の実施形態の変形例に相当し、光増幅器を構成する 3個の SO A S_1; S₂, S ₃の任意のいずれかの間に光強度変調器 Mを挿入する。

F I G. 12 Aは光アイソレータ〇p 〇₂が揷入されていない区間に、光強度変調器 Mを挿入した構成である。ここでは第 1と第 2の S OA S_x, S₂間の第 2 の光パス（光接続手段） x₂に光強度変調器 Mを挿入した例を示しているが、第 3 の SOA S ₃と出力端子との間の第 4の光パス x₄に光強度変調器 Mを揷入してもよい。ただし、この場合には最終段の SO A S₃で増幅された光パワーに対応できる光強度変調器 Mを用いる必要がある。

F I G. 12 Aの構成では、第 1の S OA Sェから出力された連続光と、第 2 の SOA 3₂と第1の3〇八 Sェにおける連続光の 2回反射光が干渉するまでに、光強度変調器 Mで 2度の強度変調を受ける。従って、信号光に対する 2回反射光の割合は光強度変調器 Mを挿入しない場合に対して相対的に小さくなる。

F I G. 12 Bは光アイソレータ〇₂が挿入されている区間に光強度変調器 Mを挿入した構成を示す。ここでは第 2と第 3の S OA S₂, S₃間の第 3の光パス x ₃に光強度変調器 Mを挿入した例を示すが、入力端子と第 1の SOA Stとの間の第 1の光パスに光強度変調器 Mを挿入してもよい。ただし、後者の場合には光強度変調器 Mの損失により S OA エへの入力パヮ一が低下し、 SNRが劣化することを考慮する必要がある。なお、 F I G s . 12 B— 12 Cに示すように、光アイソレー夕 0₂と光強度変調器 Mの接続の順番は任意である。

本実施形態で用いられる光強度変調器 Mとしては、例えば電界吸収型光強度変調器（EA変調器）を用いることができる。前述の第 1の実施形態では SO Aを光強度変調器としているために G (bp s) 以上の変調動作は困難であつたが、 EA変調器を光強度変調器として用いる場合には 40G (bp s)程度までの変調動作に対応することができる。

(第 3の実施形態）本発明の第 3の実施形態の光変調装置は、前述の F I G. 4に示すような双方向光増幅器を有する装置構成において、増幅器の利得の数値限定を後述のように行なうことにより、双方向光増幅器の端面における反射光の影響を低減し、安定した増幅機能を達成することができるようにした装置である。以下に、本発明による増幅器利得の数値限定について説明する。

<反射光の影響を定量化する手法 >

F I G. 4に示すように、双方向光増幅器 409, 415の両端からの反射光は 2つ存在し、一方の反射光 1は変調光と、もう一方の反射光 2は連続光と同一方向に進む。この連続光は強度変調されて変調光となり、反射光 2は連続光と同じ経路を迪るため、結局、変調光には反射光 1および反射光 2が付与される。変調光は反射光 1および反射光 2の同一偏波方向成分と干渉し、ビート雑音として強度揺らぎが生じる。以下に、反射光 1と反射光 2が変調光に与える影響を定量的に示す手法について説明する。

ここでは、以下を想定することができる。

· 双方向光増幅器 409, 415の一方の端面で反射された光が再度もう一方の端面で反射される多重反射光は十分小さいとして無視する。

• 送信信号のマ一ク率は 1Z2である。（データ信号列にマークまたはスペースが連続すると、信号を受信する際にク口ック信号を抽出することが困難になるため、通常、 SDH (synchronous digital hierarchy;同期ディジタルハイアラーキ一）におけるスクランブル（scramble)、ギガビットイーサ（giga bit ether) における 8B—10B (bel) 変換などで、マーク率をほぼ 1 Z 2にする手法が講じられる。）

双方向光増幅器 409, 415への入力連続光パワー、双方向光増幅器 409， 415の利得、光強度変調器 411, 419への入力連続光パヮ一に対する変調光出力パワー差、双方向光増幅器全体の反射率を、それぞれ、 1、 g、 x、 r' とすると、光変調器出力の変調光パワー、反射光 1のパワー、反射光 2のパヮ一は、それぞれ、 g²x、 r'、 g²x² r ' で表される。今、問題となるのは、変調光と反射光の干渉であるので、変調光マーク時の反射光の影響のみを考えればよい。送信信号のマーク率は 1ノ 2であるので、光変調器出力の変調光のマ一クレベルパワー、および、反射光 2のマ一クレベルパワーは、それぞれ、 2 g²x、 4 g²x² r ' である。但し、光変調器出力において変調光および反射光 2が同時にマークとなる確率は 1 Z 2であるので、反射光 2の影響は半減される。したがって、変調光マーク時の変調光と全反射光とのパヮ一比は、

S 2g²x

(1)

N (r'+2^^{2 2}r') と記述できる。さらに、 r ' は光ファイバ結合損を無視すると、 r ' =g² rなる関係が成り立つので、

S 2g

(2)

N (g²r + 2gx²r) と書き換えることができる。式（2) を Xの関数としてみなすと、 2 g (3) の時に、式（2) は最大値をとる。すなわち、この時に反射光の影響を最も小さくすることができる。これを対数スケールに書き直し、伝送路損失 L [dB]、双方向増幅器利得 G [dB] を用いると、

L = -101og₁₀( ) = 101og₁₀(^) + ^-101og₁₀(2) = G + 1.5 (4) となる。またこの時に、反射光 1と反射光 2のパワーは等しくなる。

実際には、反射光は変調光と干渉するので、上記はあくまでも SNRを最適化する上式（4) の導出において有効である。変調光に対する反射光の影響の定量的な見積もりは以下のように行うことができる。

光変調器出力を、光サ一キユレ一夕 4 1 7などを介して受信することを考える。変調光のマーク側光電界を E_Qexp[(a^ + A)]、反射光 1のマーク側光電界を

E₁ exp[z(ft>_ct + )]、反射光 2のマーク側光電界を E₂ exp[(o + φ₂)]とすると、受信前の光電界は、

E_0UT (t) = E₀ exp[i'(a>_ci +

+ φ₂)]

( 5 ) で表される。

受信光電流は、必要とする係数を一切無視すると、

- + exp[i(^₀一 )] + 2E₀E₂ expP(^₀ - φ₂)]

2 ( 6 )

+ Ά₁ + Ε₂ + Ί.Ε_λΕ &χρ[ί(φ₁ - φ₂ )]

となる。ここでは、第 1項が変調光そのものであり、第 2項以下は雑音である。第 1項ないし第 6項は、それぞれ、変調光および反射光がすべてマーク側にあるときの、変調光パワー、変調光と反射光 1のピート（干渉）、変調光と反射光 2のビート（干渉)、反射光 1パワー、反射光 2パワー、反射光 1と反射光 2のビート（干渉）を表す。第 4項ない第 6項は、反射光は変調光に対して小さいことから無視できる。ここでは、第 2項および第 3項の影響を考慮して、規格化ビートノイズパヮ一として以下を定義する。び ( 7 )

複数の反射点が関与する場合のビートノイズは、分散値として式（7 ) で表される値を示すガウス分布として取り扱うことができる。逆に反射点の数が少ない場合には、ビートノイズを過剰に見積もることになる。

ここまでの議論は、反射光として双方向光増幅器 4 0 9 , 4 1 5の両端面からの反射光 1および反射光 2を考慮したが、実際には、双方向光増幅器 4 0 9， 4 1 5 の端面反射以外に、系に挿入される各種光デバイスの入出力端反射や、光コネクタによる反射なども存在し、これらの反射点からの反射光も双方向光増幅器 4 0 9 , 4 1 5の利得を受けることにより、それらの反射率如何によつてはその影響が無視できなくなる。このような場合には、ここまでの議論で用いた端面反射率 rを、端面反射以外の反射点からの反射率の合計として捉えれば、式（7 ) で与えられる分散値を用いた反射光の影響の見積もりは妥当であると言える。一方、双方向光増幅器 409， 415の両端面からの反射のみが支配的な場合には、上記見積もりを最悪設計と見なせばよい。

以上の議論は、アレイ導波路回折格子（AWG: Arrayed- Waveguide Grating) のコヒーレントクロス] クの影響を定量的に見積もる手法を示した、 IEEE J. Lightwave Tchnol., vol.14, no. 6， pp.1097-1105, 1996 の論文からの類推によるものである。但し、本光変調装置においては、変調光マーク時において反射光 2 が同じくマークである確率は 1 2であるため、式（7) は、

に書き換えられる。この式の値は、式（2) の逆数の 2倍に等しい。

ぐ反射光の影響についての計算例 >

F I G. 13は、上記の式（8) を用いた計算結果を示す。同図において、横軸は変調部損失（L) [dB]、縦軸は左側が Q値 [dB] および右側が光変調装置利得 [dB] を示す。光変調装置利得は、変調部（光強度変調器） 411， 419における 3 dBの変調損失を考慮しない 2 G— (L- 3. 0) [dB], および、 3 d Bの変調損失を考慮する 2 G— L [dB] の両方について図示している。ここでいう Q値とは、 IEEE Photon. Techno 1. Lett. Vol. 5, no.3, pp.304-306 において提案されている、変調光の信号対雑音比（SNR： Signal to Noise Ratio)を規定する評価パラメータであり、

5(1) -5(0)

Q (9) σ、 +σ_η により定義される。ここで、 S (1) および S (0) は、それぞれ、マ一クおよびスペースの信号レベルを表し、またびェおよび σ₀は、それぞれ、マークおよびスペースの雑音量を表す。ここでは、 S (1) =1とすると、 σ =ひ _RINであり、 S (0) および σ。は、ほぼゼロと見なすことができる。

計算では、光変調装置 405, 407への入力連続光パヮ一一 6 dBm、双方向光増幅器利得 G= 10 [dB], 双方向光増幅器雑音指数 7 dB、双方向光増幅器全体の反射率を一 22 d Bとし、光プリアンプ受信を行わずに直接光電変換して変調光を受信するものとした。その計算結果である F I G. 1 3に示すように、変調部損失 L=l l. 5 [dB]、つまり、 L = G+ 1. 5 [dB] において Q値は最大値をとり、 Q値を表す曲線はその値を中心に左右対称となる。図中、（α)、 (β), (r)> ( δ) の範囲は、それぞれ、次の通りとなる。

( ) 0<=L<=2 G+ 3. 0

光変調器利得 2G— [L— 3. 0] >=0、かつ、光変調器利得 2G— [L一 3. 0] =0 (dB) の Q値が保障される光変調部損失領域。

(β) 3. 0<=L<=2 G

光変調器利得 2G— L〉=0、かつ、光変調器利得 2G— L=0 (dB) の Q値が保障される光変調部損失領域。

(T) G-4. 5<=L<=G+ 7. 5

Q値が最大値に対して 3 dB以内となる領域。

( 6) L = G+ 1. 5

最大 Q値をとる変調部損失。

( 6) の領域については、上記の通りである。また、（ひ）および (β) の領域における Lの上限値は、光変調利得が 0 [dB] 以上であることを示す。また、変調部損失 Lの値は、 Q値曲線が上記のように左右対称であることから必然的に決定される。

また、 Q値が最大値に対して 3 dB以内となるのは、 5. 5 [dB] <=L<= 17. 5 [dB], つまり、（G+ l. 5) ー6 [dB] <=L<= (G+ l. 5) + 6 [dB] の時である。この Lの範囲は Gの値によらない。実際、上記の式（3) に示される Xの値を、上記の式（1)に代入して得られる値の半分（3 dB減）が、式（1) に等しいとした時の Xの 2次方程式を解くと、その解は、

である。さらに、これを対数スケールに書き直すと、 L = -101og₁₀( ) = + 101og₁₀( ) _{( 1 χ )}

≤(G+1.5)±6 となり、これが（ァ）の領域の上限値および下限値を表す。

従って、変調部損失 Lを.（α) の領域の間の任意の範囲（例えば、 (β)、 (ァ）、 (6)) において、光変調装置が利得を保持したまま、変調光に対する反射光の比率を低く抑えることができる。このとき、 F I G. 1 3から明らかなように、変調部損失 Lを（δ) の L = G+ 1. 5に近付ける程、その比率を低くできる。

(第 4の実施形態）

本発明の第 4の実施形態の光変調装置の構成を F I G. 1 4に示す。本実施形態の光変調装置は、偏波回転手段を揷入することにより、双方向光増幅器の端面における反射光の影響を低減し、安定した増幅機能を実現するものである。

F I G. 14に示すように、本装置は、入力多波長光と出力変調光とを偏波面の違で分離する偏波分離器 5 0 1と、多波長光を所定の波長毎に分波する波長合分波器 5 02と、分波された各単一波長光のパワーを双方向で増幅する双方向光増幅器 5 0 3と、単一波長光の偏波面を双方向で回転させる偏波回転手段 504と、単一波長光の強度を双方向で変調する光強度変調器 50 5と、光強度変調器 5 0 5から出力される変調された単一波長光を再び双方向光増幅器 5 0 3に帰還させる光反射器 50 6とを備える多波長一括光変調装置である。

偏波分離器 5 0 1としては、一般によく使用される偏波ビームスプリツ夕（PB S ： Polarization Beam Splitter) を用いればよいが、例えば、出力光を光サ一キユレ一夕、あるいは光力ブラを介して波長合分波器 50 2から出力させ、偏光子を用いて入力光と 9 0度偏波のずれた光のみを取り出す構成としてもよい。

波長合分波器 502として、例えば AWGを用いることができる。 AWGは、ある入力導波路から入射された光が、波長に応じて異なる出力導波路から出力される。また、 AWGは可逆性を有しており、複数の波長光を 1つの出力導波路に合波することもできる。双方向光増幅器 5 0 3として、例えば S〇Aを用いることができる。 S OAは、半導体レーザの共振器端面を低反射化することにより、半導体内の活性層を進行する光を、誘導放出により増幅させる光増幅器である。双方向光増幅器 5 0 3としては、エルビウム添加光ファイバ（E D F A： Erbium Doped Fiber Ampl i f i er) などの光ファイバ増幅器を考えることもできるが、光ファイバ増幅器は、ポンプ光を出力する半導体レ一ザ、エルビウムなどを添加した添加物光ファイバ、ポンプ光を添加物光ファイバに結合する結合器から構成されるため、部品点数の観点から S OA よりも高コストになることが予想され、コスト面からは S〇 Aの方が有利である。双方向光増幅器 5 0 3と光強度変調器 5 0 5との間には偏波回転手段 5 0 4が配置されているが、この偏波回転手段 5 0 4としては、 1ノ4波長板、あるいはファラデー素子などが適用できる。また、ファラデー素子の一方の出力端に反射鏡を取り付けたファラデーミラ一を用いてもよい。

光強度変調器 5 0 5としては、例えばマッハツエンダ型光強度変調器、電界吸収型光強度変調器（E A変調器）などが適用でき、単一波長光をデータ信号で強度変調する機能を有する。これらの光強度変調器によれば、 4 0 G ( b p s ) オーダの変調信号による強度変調が実用レベルで可能である。

光反射器 5 0 7としては、例えば金属膜をコーティングした鏡、誘電体多層膜をコーティングした鏡などが適用できる。また、特定の波長に関する反射鏡として、回折格子やファイバブラッググレーティングなども光反射器として用いることができる。また、ファイバブラッググレーティングの応用例として、光導波路に直接回折格子（グレーティング）を書き込んだ光反射器でもよい。

偏波分離器 5 0 1の一つの出力ポートは、空間光学系あるいは光導波路によって波長合分波器 5 0 2の入力導波路に光学的に接続されている。波長合分波器 5 0 2 の出力導波路は、それぞれ空間光学系あるいは光導波路によって双方向光増幅器 5 0 3の片方のポートに光学的に接続されている。双方向光増幅器 5 0 3のもう一方のポートは、同じく空間光学系あるいは光導波路によつて偏波回転手段 5 0 4の片方のポートに光学的に接続されている。偏波回転手段 5 0 4のもう一方のポートは、同じく空間光学系あるいは光導波路によって光強度変調器 5 0 5の片方のポートに光学的に接続されている。光強度変調器 5 0 5のもう一方のポートは、同じく空間光学系あるいは光導波路によって光反射器 5 0 7に光学的に接続されている。本実施形態では、光強度変調器 5 0 5の入力、および変調光の出力を偏波分離器 5 0 1で切りわけているが、偏波回転手段 5 0 4として例えば 1 Z 4波長板を用いた場合、入力光と出力光の偏波面の角度は 9 0度ずれているので、出力光の特定の偏波だけを偏波分離器 5 0 1で切り出せば、入力光と出力光とは分離できる。

波長合分波器 5 0 2の入力導波路から入力された多波長光は、波長合分波器 5 0 2で各波長毎に分波され、分波された一つの単一波長光は、それに対応する一つの双方向光増幅器 5 0 3に導かれ、そのパワーを増幅される。

双方向光増幅器 5 0 3は、利得の飽和領域において連続光と変調光の間の利得の奪い合いが信号劣化を引き起こす。よって、 F I G. 5に示すように、連続光と変調光の双方向光増幅器 5 0 3からの出力パワー（横軸）の和（もしくは入力パワーの和）が、ある出力パワー（もしくは入力パワー）以下において利得（縦軸）がー定に保たれる利得の未飽和領域で使用されることが望ましい。

各双方向光増幅器 5 0 3においてパヮ一を増幅された連続光（単一波長光）は、それぞれそれに対応する偏波回転手段 5 0 4に入力される。偏波回転手段 5 0 4において、連続光は偏波面が 4 5度回転されて光強度変調器 5 0 5に入力され、光強度変調器 5 0 5で変調信号（データ信号）により強度変調される。変調された単一波長光は光強度変調器 5 0 5の光反射器側ポートより出力され、光反射器 5 0 7へ入力される。光反射器 5 0 7で反射された変調光は、再び光強度変調器 5 0 5を通過して、偏波回転手段 5 0 4に入力される。変調光は、偏波回転手段 5 0 4において偏波面がさらに 4 5度回転され、双方向光増幅器 5 0 3に入力されて、双方向光増幅器 5 0 3で再度光パワーを増幅される。双方向光増幅器 5 0 3の出力変調光は、その偏波面が入力光と比べて 9 0度ずれているため、偏波分離器 5 0 1により入力光と出力光とを分離することができる。従って、双方向光増幅器 5 0 3から出た出力変調光は、波長合分波器 5 0 2で合波されてから、偏波分離器 5 0 1の出力ポ一トから装置外部に出力される。

光増幅器を双方向動作させるには、光増幅器の内部に光アイソレー夕を挿入することができないため、光増幅経路の両端からの端面反射の影響を考慮する必要がある。 F I G. 4に示すように、この反射光は、双方向伝送時には 2つ存在し（反射光 1、反射光 2 )、反射光 1は変調光と、反射光 2は連続光と同一方向に進む。この連続光は強度変調されて変調光となり、反射光 2は連続光と同じ経路を迪るため、従来例と同様に反射光 1， 2、連続光、変調光の偏波面が同じ方向とすれば、変調光には反射光 1と反射光 2が付与され、その結果、変調光は反射光 1および反射光 2の同一偏波方向成分と干渉し、ビート雑音として強度揺らぎが生じることになる。しかしながら、偏波回転手段 5 0 4を有する本実施形態の構成においては、 F I G. 1 5で偏波面の方向を表わす円で囲まれた矢印で示すように、双方向光増幅器 5 0 3の反射光 1および反射光 2は、同一方向に進む連続光もしくは変調光の偏波方向と直交する。反射光 1は変調光と偏波方向が直交するため、出力において偏波分離器 5 0 1において分離される。また、反射光 2は連続光と偏波方向が直交し、以後強度変調されて変調光となつてからもその偏波関係は保持され、反射光 1と同様に出力において偏波分離器 5 0 1において分離される。その結果、双方の光の干渉による強度揺らぎを解消することができる。

また、本実施形態の構成によれば、 F I G. 1 5で示すように、偏波回転手段 5 0 4からの出力が光反射器 5 0 7により反射され、再度偏波回転手段 5 0 4に戻つてくるまでの経路における、光の偏波面が双方向において同一であるため、光強度変調器 5 0 5として、 L i N b O _s マッハツェング型光強度変調器などの単一の入力偏波に対してのみ変調が可能な光強度変調器を使用することが可能である。

(第 5の実施形態）

本発明の第 5の実施形態の光変調装置の構成を F I G. 1 6に示す。本第 5の実施形態の装置は上述の第 4の実施形態における多波長一括光変調装置の光強度変調器 5 0 5の前または後に（本図では後に挿入)、単一偏波のみを通過させることのできる偏光子 5 0 6を挿入している。その他の構成は第 4の実施形態と同様なのでその詳細説明は省略する。

一般に、光デバイスや光ファイバを複数結合すると、直交する 2つの偏波間の偏波消光比は著しく劣化する。 F I G. 1 6に示す構成によれば、偏波回転手段 5 0 4からの出力が光反射器 5 0 7により反射され、再度偏波回転手段 5 0 4に戻ってくるまでの経路における、光の偏波面が双方向において同一であるため、光経路内に偏光子 5 0 6を挿入することができる。この偏光子 5 0 6の揷入により、劣化した偏波消光比を回復させることができる。

(他の実施形態）

なお、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、請求の範囲の各請求項に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。

Claims

請求の範囲

1. 単一波長の連続光を双方向に透過させ該単一波長光に利得を与える双方向光増幅手段と、

前記双方向光増幅手段で光パワーを増幅された連続光に対してマーク率がほぼ 1 / 2の送信信号で強度変調を施す光強度変調手段と、

前記光強度変調手段で強度変調された連続光を再び前記光強度変調手段へ、または直接に前記双方向光増幅手段へ戻す光回帰手段とを具備し、

前記双方向光増幅手段の利得 G (dB) に対する前記光強度変調手段への入力連続光の光パワーと前記光強度変調手段からの出力変調光の光パヮ一との差で定義される変調部損失 L (dB) の値が、

0 (dB) から 2G+3. 0 (dB)

の範囲内となるように設定されていることを特徴とする光変調装置。

2. 前記変調部損失 L (dB) の値が、

G+ 1. 5 (dB)

となるように設定されていることを特徴とする請求項 1記載の光変調装置。

3. 前記双方向光増幅手段が利得の未飽和領域において動作されることを特徴とする請求項 1に記載の光変調装置。

4. 前記双方向光増幅手段が利得の未飽和領域において動作されることを特徴とする請求項 2に記載の光変調装置。

5. 前記光強度変調手段はその後端に前記光回帰手段を構成する光反射器を備えた反射型の光強度変調器であることを特徴とする請求項 1から 4のいずれかに記載の光変調装置。

6 . 前記光強度変調手段は光サーキユレ一夕を介して形成される前記光回帰手段を構成する光ループ内に設けられた透過型の光強度変調器であることを特徴とする請求項 1から 4のいずれかに記載の光変調装置。

7 . 前記光変調装置が多重波長数分設けられ、波長多重された連続光を分波して単一波長毎に複数の前記光変調装置にそれぞれ入力すると共に、複数の前記光変調装置から出力された変調光を多重して出力する波長合分波手段をさらに有することを特徴とする請求項 1から 4のいずれかに記載の光変調装置。

8 . 複数の光搬送波を含む多波長光を構成する単一波長光を双方向に透過させ該単一波長光に利得を与える双方向光増幅手段と、

前記双方向光増幅手段で利得を与えられた単一波長光を双方向に透過させ該単一波長光に変調を施す光強度変調手段と、

前記光強度変調手段を透過した単一波長光を再び該光強度変調手段に回帰させる光回帰手段とを、前記多波長光を構成する複数の単一波長光のそれぞれに対応して複数備え、および

前記多波長光を単一波長光毎に分波して前記双方向光増幅手段にそれぞれ入力し、前記双方向光増幅手段から出力する複数の単一波長光を再び合波して出力する波長合分波手段と、

前記双方向光増幅手段と前記光強度変調手段との間にそれぞれ介装されて前記単一波長光の偏波面を回転させる複数の偏波回転手段と、

入力多波長光を前記波長合分波手段に入力し、前記偏波回転手段で偏波面が回転されて該波長合分波手段から出力する出力多波長光を前記入力多波長光と分離して出力する偏波分離手段とを具備することを特徴とする光変調装置。

9 . さらに、前記光強度変調手段の前または後に偏光子が介揷されていることを特徴とする請求項 8に記載の光変調装置。

10. それぞれ個別の注入電流で反転分布を生成する複数 n個（n〉=2) の半導体光増幅器と、

入力端子と前記複数 n個の半導体光増幅器と出力端子を順次接続する（n + 1 ) 個の光接続手段と、

前記（n+ 1)個の光接続手段の奇数番または偶数番の位置に順次挿入される光アイソレー夕と、

連続光に対して強度変調を施す光強度変調手段と

を具備することを特徴とする光変調装置。

11 · 前記複数 n個の半導体光増幅器の中の 1つの半導体光増幅器を、送信信号により強度変調された注入電流を印加して前記光強度変調手段にした構成であることを特徴とする請求項 10に記載の光変調装置。

12. 前記（n + 1 )個の光接続手段のいずれか 1箇所に前記光強度変調手段を揷入した構成であることを特徴とする請求項 10に記載の光変調装置。

13. 前記（n+ 1) 個の光接続手段のうち、前記入力端子および前記出力端子と接続される光接続手段以外のいずれか 1箇所に前記光強度変調手段を挿入した構成であることを特徴とする請求項 10に記載の光変調装置。

14. 前記（n+ 1)個の光接続手段の中で前記光アイソレー夕が挿入されていない光接続手段に前記光強度変調手段を挿入した構成であることを特徴とする請求項 12または 13に記載の光変調装置。