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技術 光送信機、及び光変調器のバイアス制御方法

出願人 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社
発明者 白川意織
出願日 2014年11月27日 (5年5ヶ月経過) 出願番号 2014-240441
公開日 2016年6月2日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2016-102870
状態 特許登録済
技術分野 光の変調 光通信システム
主要キーワード 経年変動 低周波発生 受信フロントエンド 電気データ信号 電気波形 位相バイアス 変調器ドライバ 交番信号
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

光変調器駆動振幅に依らずに、安定して光変調器のバイアス電圧最適点に制御することのできる技術を提供することを課題とする。

解決手段

光送信機は、一対のマッハツェンダ型変調器と前記一対のマッハツェンダ型変調器の間に所定の位相差を与える位相シフト部とを含む光変調器と、前記光変調器を駆動する一対の変調器ドライバと、前記光変調器の半波長電圧と駆動振幅の割合を変化させる低周波信号を生成する低周波発生部と、前記光変調器の出力の一部を検出する光検出部と、前記低周波信号を用いて前記光検出部の出力に含まれる低周波成分を検出する検波部と、前記検出される低周波成分が前記低周波信号と同相かつ最大となるように前記光変調器のバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御部と、を有する。

概要

背景

近年、デジタルコヒーレント技術を用いた偏波多重4値位相変調方式DP−QPSK:Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying)により、100Gbps高速長距離光通信が実現化されている。今後は、さらに周波数利用効率を高めるため、伝送帯域狭帯域化や信号の多値化が望まれている。

伝送速度が10Gbps以上の高速光伝送では、光変調器としてマッハツェンダ型変調器MZ型変調器)が通常使用される。品質のよい光信号を生成するためには、光変調器に入力される駆動信号に対して光変調器の動作点を適切な状態に設定する必要がある。光位相変調方式では、電気データ信号振幅中心が、MZ型変調器の駆動電圧光強度特性の光強度の最低点に一致するように光変調器のバイアス電圧を制御する。バイアス電圧を最適な値に制御するために、バイアス電圧に低周波信号を重畳し、光出力に含まれる低周波成分(f0成分)が最小になるように光変調器に印加されるバイアス電圧をフィードバック制御する。

図1(A)はQPSK変調方式による駆動波形、図1(B)は狭帯域のナイキストQPSK変調による駆動波形、図1(C)は多値化された16QAM(16-Quadrature Amplitude Modulation)変調方式による駆動波形である。MZ型変調器の電圧対光出力特性の光出力が最大から最小になるまでの電圧幅は、一般に半波長電圧Vπと呼ばれている。駆動信号の振幅を2×Vπとすることで最大光出力が得られるため、QPSK変調では一般に駆動信号は振幅2Vπで使用される。

これに対し、狭帯域伝送(図1(B))や、より多値化された変調方式(図1(C))では、平均駆動振幅に対してピーク駆動振幅が大きくなる。これらの場合は、ピーク部分まで光変換して送出するために、平均駆動信号の振幅を2Vπよりも下げて使用する。しかし、駆動信号の振幅を下げて制御を行う場合、従来のバイアス制御技術ではバイアス制御が不能となる駆動振幅が存在する。

図2は、ナイキストQPSK変調で駆動信号の振幅を下げて制御を行う場合の問題点を説明する図である。図2(A)は、平均駆動振幅が1×Vπの場合に低周波信号を重畳したときの電圧対光強度特性を示す。一般に、温度変化経時変化等により、駆動信号に対する光出力特性ドリフトし、図2(A)の例では、動作点が最適バイアス点(駆動振幅の中心と光強度特性の最低点が一致する点)からずれている。この状態で、重畳したf0信号によりバイアス電圧が高電圧側に振れたとき、高電圧側の動作点の光出力は大きくなるが(谷から山に向かう)、低電圧側の動作点の光出力は小さくなる(谷に向かう)。光出力の変化は互いに打ち消され、バイアス点が最適点から外れているにもかかわらず低周波成分が検出されない。

図2(B)は、駆動信号の振幅をパラメータとして、バイアス電圧と、同期検波した低周波(f0)成分の大きさの関係を計算により求めたものである。波形a〜fに示すように、変調器の駆動信号の振幅が1×2Vπ、0.8×2Vπ、…と小さくなると、検出される低周波成分が低下し、振幅が50%(1×Vπ)で感度がゼロになる。振幅が50%よりさらに小さくなると、符号が反転して検出感度は徐々に増加する。検出された低周波成分が重畳された低周波信号に対して同相であるときはプラス符号であり、逆相のときはマイナス符号となる。

図3は、16QAM変調のときのバイアス電圧と同期検波したf0成分の関係を示す図である。16QAM変調のときも、従来のQPSKのバイアス制御と同様に、バイアス電圧に低周波信号f0を重畳して、同期検波したf0成分がゼロになるようにフィードバック制御する(たとえば、非特許文献1参照)。しかし、図3に示すように、駆動信号の振幅の大きさによっては、バイアスずれが生じているにもかかわらず低周波成分が検出されない場合がある。たとえば、駆動振幅が0.75×2Vπのときに、バイアス点が最適点から外れても低周波成分が検出されない。さらに、駆動信号の振幅の大きさによって、バイアス点のずれ方向を示す同相と逆相の関係が逆転する。

図4は、バイアス制御を行うことができない駆動振幅が存在するという問題を解決する従来の方法を示す。図4(A)のようにバイアス電圧にディザ信号を重畳するとともに、変調器の駆動信号にディザ信号を重畳することで、非対称合成信号を生成する(たとえば、特許文献1参照)。この合成信号を用いると、高電圧側の光強度だけが変動するので、図4(B)に示すように、駆動信号の振幅が1×Vπの場合にバイアスずれが発生したときも低周波成分が検出される。この結果、図5に示すように、駆動信号の振幅が変化しても、バイアス点が最適点から外れたときに必ず低周波成分が検出される。

なお、駆動信号の振幅が変化した場合にも品質の良い光信号を生成するために、駆動信号に第1の参照信号を重畳し、光変調器のバイアス電圧に第2の参照信号を重畳し、光出力から検出される第1の参照信号と第2の参照信号に基づいて光変調器のバイアス電圧を制御する方法が提案されている(たとえば、特許文献2参照)

概要

光変調器の駆動振幅に依らずに、安定して光変調器のバイアス電圧を最適点に制御することのできる技術を提供することを課題とする。光送信機は、一対のマッハツェンダ型変調器と前記一対のマッハツェンダ型変調器の間に所定の位相差を与える位相シフト部とを含む光変調器と、前記光変調器を駆動する一対の変調器ドライバと、前記光変調器の半波長電圧と駆動振幅の割合を変化させる低周波信号を生成する低周波発生部と、前記光変調器の出力の一部を検出する光検出部と、前記低周波信号を用いて前記光検出部の出力に含まれる低周波成分を検出する検波部と、前記検出される低周波成分が前記低周波信号と同相かつ最大となるように前記光変調器のバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御部と、を有する。

目的

今後は、さらに周波数利用効率を高めるため、伝送帯域の狭帯域化や信号の多値化が望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
3件

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請求項1

一対のマッハツェンダ型変調器と、前記一対のマッハツェンダ型変調器の間に所定の位相差を与える位相シフト部とを含む光変調器と、前記光変調器を駆動する一対の変調器ドライバと、前記光変調器の半波長電圧駆動振幅の割合を変化させる低周波信号を生成する低周波発生部と、前記光変調器の出力の一部を検出する光検出部と、前記低周波信号を用いて前記光検出部の出力に含まれる低周波成分を検出する検波部と、前記検出される低周波成分が前記低周波信号と同相かつ最大となるように前記光変調器のバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御部と、を有することを特徴とする光送信機

請求項2

前記一対のマッハツェンダ型変調器はLiNbO3変調器であり、前記低周波信号は前記一対の変調器ドライバによって生成される駆動信号重畳され、前記光変調器は、前記駆動信号の振幅方向の両端部が前記低周波信号の周波数振幅中心に対して対称に変化する駆動波形で駆動されることを特徴とする請求項1に記載の光送信機。

請求項3

前記一対のマッハツェンダ型変調器は半導体光変調器であり、前記低周波信号は前記半導体光変調器に印加される基板バイアスに重畳され、前記基板バイアスを振幅変調することで、前記半波長電圧に対する前記駆動振幅の割合を振幅中心に対して対称に変化させることを特徴とする請求項1に記載の光送信機。

請求項4

前記バイアス電圧制御部は、前記同期検波部で検出される前記低周波成分の絶対値が閾値よりも小さいときは、前回の制御と同じ方向に固定量だけ前記バイアス電圧を変化させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光送信機。

請求項5

前記変調器ドライバの出力信号ピークを検出するピーク検出部と、前記ピーク検出部の検出結果に基づいて、前記変調器ドライバが生成する駆動信号の振幅を前記半波長電圧の2倍よりも小さくなるように制御する振幅制御部と、をさらに有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光送信機。

請求項6

前記変調器ドライバの出力信号のピークを検出するピーク検出部と、前記ピーク検出部の検出結果に基づいて、前記低周波成分の検出感度が一定になるように、前記駆動信号に重畳される前記低周波信号の大きさを制御する振幅制御部と、を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の光送信機。

請求項7

前記一対の変調器ドライバに供給される電気信号を生成する信号処理回路、をさらに有し、前記電気信号はナイキストフィルタリング処理された信号またはディジタル信号処理により多値化された信号であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の光送信機。

請求項8

請求項1〜7のいずれか1項に記載の光送信機と、外部からの光信号を受信して処理する受信フロントエンドとを有することを特徴とする光送受信機

請求項9

一対のマッハツェンダ型変調器を有する光変調器を駆動する際に、前記光変調器の半波長電圧と駆動振幅の割合を変化させる低周波信号を前記光変調器に供給し、前記低周波信号を用いて前記光変調器の出力に含まれる低周波成分を検波し、前記低周波成分が前記低周波信号と同相かつ最大となるように前記光変調器のバイアス電圧を制御することを特徴とする光変調器のバイアス制御方法

技術分野

0001

本発明は、光送信機光変調器バイアス制御に関する。

背景技術

0002

近年、デジタルコヒーレント技術を用いた偏波多重4値位相変調方式DP−QPSK:Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying)により、100Gbps高速長距離光通信が実現化されている。今後は、さらに周波数利用効率を高めるため、伝送帯域狭帯域化や信号の多値化が望まれている。

0003

伝送速度が10Gbps以上の高速光伝送では、光変調器としてマッハツェンダ型変調器MZ型変調器)が通常使用される。品質のよい光信号を生成するためには、光変調器に入力される駆動信号に対して光変調器の動作点を適切な状態に設定する必要がある。光位相変調方式では、電気データ信号振幅中心が、MZ型変調器の駆動電圧光強度特性の光強度の最低点に一致するように光変調器のバイアス電圧を制御する。バイアス電圧を最適な値に制御するために、バイアス電圧に低周波信号を重畳し、光出力に含まれる低周波成分(f0成分)が最小になるように光変調器に印加されるバイアス電圧をフィードバック制御する。

0004

図1(A)はQPSK変調方式による駆動波形図1(B)は狭帯域のナイキストQPSK変調による駆動波形、図1(C)は多値化された16QAM(16-Quadrature Amplitude Modulation)変調方式による駆動波形である。MZ型変調器の電圧対光出力特性の光出力が最大から最小になるまでの電圧幅は、一般に半波長電圧Vπと呼ばれている。駆動信号の振幅を2×Vπとすることで最大光出力が得られるため、QPSK変調では一般に駆動信号は振幅2Vπで使用される。

0005

これに対し、狭帯域伝送(図1(B))や、より多値化された変調方式(図1(C))では、平均駆動振幅に対してピーク駆動振幅が大きくなる。これらの場合は、ピーク部分まで光変換して送出するために、平均駆動信号の振幅を2Vπよりも下げて使用する。しかし、駆動信号の振幅を下げて制御を行う場合、従来のバイアス制御技術ではバイアス制御が不能となる駆動振幅が存在する。

0006

図2は、ナイキストQPSK変調で駆動信号の振幅を下げて制御を行う場合の問題点を説明する図である。図2(A)は、平均駆動振幅が1×Vπの場合に低周波信号を重畳したときの電圧対光強度特性を示す。一般に、温度変化経時変化等により、駆動信号に対する光出力特性ドリフトし、図2(A)の例では、動作点が最適バイアス点(駆動振幅の中心と光強度特性の最低点が一致する点)からずれている。この状態で、重畳したf0信号によりバイアス電圧が高電圧側に振れたとき、高電圧側の動作点の光出力は大きくなるが(谷から山に向かう)、低電圧側の動作点の光出力は小さくなる(谷に向かう)。光出力の変化は互いに打ち消され、バイアス点が最適点から外れているにもかかわらず低周波成分が検出されない。

0007

図2(B)は、駆動信号の振幅をパラメータとして、バイアス電圧と、同期検波した低周波(f0)成分の大きさの関係を計算により求めたものである。波形a〜fに示すように、変調器の駆動信号の振幅が1×2Vπ、0.8×2Vπ、…と小さくなると、検出される低周波成分が低下し、振幅が50%(1×Vπ)で感度がゼロになる。振幅が50%よりさらに小さくなると、符号が反転して検出感度は徐々に増加する。検出された低周波成分が重畳された低周波信号に対して同相であるときはプラス符号であり、逆相のときはマイナス符号となる。

0008

図3は、16QAM変調のときのバイアス電圧と同期検波したf0成分の関係を示す図である。16QAM変調のときも、従来のQPSKのバイアス制御と同様に、バイアス電圧に低周波信号f0を重畳して、同期検波したf0成分がゼロになるようにフィードバック制御する(たとえば、非特許文献1参照)。しかし、図3に示すように、駆動信号の振幅の大きさによっては、バイアスずれが生じているにもかかわらず低周波成分が検出されない場合がある。たとえば、駆動振幅が0.75×2Vπのときに、バイアス点が最適点から外れても低周波成分が検出されない。さらに、駆動信号の振幅の大きさによって、バイアス点のずれ方向を示す同相と逆相の関係が逆転する。

0009

図4は、バイアス制御を行うことができない駆動振幅が存在するという問題を解決する従来の方法を示す。図4(A)のようにバイアス電圧にディザ信号を重畳するとともに、変調器の駆動信号にディザ信号を重畳することで、非対称合成信号を生成する(たとえば、特許文献1参照)。この合成信号を用いると、高電圧側の光強度だけが変動するので、図4(B)に示すように、駆動信号の振幅が1×Vπの場合にバイアスずれが発生したときも低周波成分が検出される。この結果、図5に示すように、駆動信号の振幅が変化しても、バイアス点が最適点から外れたときに必ず低周波成分が検出される。

0010

なお、駆動信号の振幅が変化した場合にも品質の良い光信号を生成するために、駆動信号に第1の参照信号を重畳し、光変調器のバイアス電圧に第2の参照信号を重畳し、光出力から検出される第1の参照信号と第2の参照信号に基づいて光変調器のバイアス電圧を制御する方法が提案されている(たとえば、特許文献2参照)

0011

特開2013−88702号公報
国際公開2013/114628号明細書

先行技術

0012

Hiroto Kawakami, "Auto bias control technique for optical 16-QAM transmitter with asymmetric bias dithering,"OPTICS EXPRESS, Vol.19, No.26, Pp.B308-B312, Dec. 2001

発明が解決しようとする課題

0013

しかし、図4及び図5に示す方法によると、駆動振幅の大きさによって、バイアス制御の基準とする低周波成分の目標値を変化させなければならない。たとえば、駆動振幅が2Vπの場合は光出力に含まれる低周波成分がゼロになるようにバイアス電圧を制御する。駆動振幅が1×Vπ(50%)のときは、光出力に含まれる低周波成分が最大になるようにバイアス電圧を制御する。駆動振幅が75%のときは、光出力に含まれる低周波成分が最大時の7割になるようにバイアス電圧を制御しなければならない。この方法では、常に駆動振幅値をモニタし、駆動振幅の大きさに応じて光出力に含まれる低周波成分の目標値を変えなければならないので、制御が煩雑かつ困難になる。回路部品の特性の経年変動温度変動を考慮に入れると、低周波成分が特定の大きさになるように制御するのは現実的でない。16QAMの場合も、駆動振幅によってバイアスずれにもかかわらずf0成分がゼロになる条件が存在する(図3参照)。さらに、駆動信号の振幅によってバイアス電圧を制御する方向を切り替えなければならないという問題もある。

0014

そこで、光変調器の駆動振幅に依らずに、安定して光変調器のバイアス電圧を最適点に制御することのできる技術を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0015

ひとつの態様では、光送信機は、
一対のマッハツェンダ型変調器と、前記一対のマッハツェンダ型変調器の間に所定の位相差を与える位相シフト部とを含む光変調器と、
前記光変調器を駆動する一対の変調器ドライバと、
前記光変調器の半波長電圧と駆動振幅の割合を変化させる低周波信号を生成する低周波発生部と、
前記光変調器の出力の一部を検出する光検出部と、
前記低周波信号を用いて前記光検出部の出力に含まれる低周波成分を検出する検波部と、
前記検出される低周波成分が前記低周波信号と同相かつ最大となるように前記光変調器のバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御部と、
を有する。

発明の効果

0016

光変調器の駆動振幅に依らずに、安定して光変調器のバイアス電圧を最適点に制御することができる。

図面の簡単な説明

0017

変調方式に応じた信号波形の図である。
駆動振幅の変化によってバイアス制御が不可能になる場合を示す図である。
16QAMの場合のバイアス制御が不可能となる駆動振幅を示す図である。
バイアス制御不能となる駆動振幅をなくすための従来方法を示す図である。
図4の方法による同期検波出力とバイアスずれの関係を示す図である。
実施形態が適用される光送受信機概略構成図である。
光送信機の構成例を示す図である。
実施形態のバイアス制御の動作を説明する図である。
実施形態のバイアス制御の動作を説明する図である。
実施形態のバイアス制御の動作を説明する図である。
実施形態の構成により検出される低周波成分の大きさとバイアスずれの関係を示す図である。
実施形態のバイアス制御のフローチャートである。
図12のバイアス制御の変形例を示す図である。
図13の制御のS203の処理を説明する図である。
実施形態の適用例を示す図である。
実施形態の構成と手法を16QAMに適用したときのf0成分の大きさとバイアスずれの関係を示す図である。
光送信機の変形例を示す図である。
半導体光変調器における基板バイアスを説明する図である。
半導体光変調器を用いたQPSK用光送信機の構成例を示す図である。

実施例

0018

以下で図面を参照して発明の実施形態を説明する。

0019

図6は、実施形態の制御技術が適用される光ファイバ伝送用の光送受信機1の概略構成図である。光送受信機1は、外部と電気信号入出力を行う接続コネクタ25と、電源部26と、信号処理回路11を有する。信号処理回路11は、電気信号の多重化や、信号を光送受信に適した形態にする処理を行う。光送受信機1はまた、光送信機10と、受信フロントエンド21及び局発光用光源22を有する。受信フロントエンド21は、外部からの光信号を受信し、局発光との干渉光を電気信号に変換して検波する。

0020

光送信機10は、送信用光源12と、光変調器15と、光変調器15を駆動する変調器ドライバ13と、光変調器15及び変調器ドライバ13の動作を制御する制御部16とを含む。光変調器15は、変調器ドライバ13からの駆動信号で光源12の出力光を変調して出力する。実施形態のバイアス制御技術は、光送受信機1の光送信機10に適用される。

0021

図7(A)は、光送信機10の一例としてQPSK用の光送信機10Aの概略構成を示す。レーザダイオード(LD)等の光源12からの光は光変調器15に入力され、導波路151と152に分岐される。光変調器15は、たとえばLiNbO3変調器である。光変調器15は、並列に配置される第1のマッハツェンダ型変調器15I(「第1の変調器15I」と省略する)及び第2のマッハツェンダ型変調器15Q(「第2の変調器15Q」と省略する)と、第1の変調器15Iと第2の変調器15Qの間に所定の位相差を与える位相シフト部153とを有する。第1の変調器15Iは「Iアーム」と呼ばれ、第2の変調器15Qは「Qアーム」と呼ばれる。

0022

光変調器15のIアームを駆動する変調器ドライバ13aには、信号処理回路11Aからデータ信号Iが入力され、Qアームを駆動する変調器ドライバ13bには、信号処理回路11Aからデータ信号Qが入力される。データ信号Iで変調されたIアーム変調光信号と、データ信号Qで変調されπ/2の位相差が与えられたQアーム変調光信号は合波されて、QPSK変調光信号が生成される。QPSK変調光信号の一部は光検出部155で検出され、検出結果が制御部16Aに供給される。

0023

制御部16Aは、低周波発生部161と、バイアス電圧制御部162と、同期検波部163を有する。低周波発生部161は、変調器ドライバ13aと13bの各々に低周波信号f0を重畳し、高速の駆動信号にゆるやかな振幅変調を与える。この低周波信号f0により、光変調器15の半波長電圧Vπと駆動振幅の割合が変化する。

0024

低周波信号f0が重畳された変調器ドライバ13aの正出力はIアーム15Iの一方の導波路1511に入力され、変調器ドライバ13aの負出力はIアーム15Iの他方の導波路1512に入力される。変調器ドライバ13bの正出力はQアーム15Qの一方の導波路1521に入力され、変調器ドライバ13bの負出力はQアーム15Qの他方の導波路1522に入力される。

0025

図7(B)は、光変調器15のIアーム15IとQアーム15Qを駆動する駆動波形を示す。変調器ドライバ13a、13bで生成される高速駆動信号は低周波信号f0による変調を受けて、振幅方向の一方のエッジにf0成分が現れ、他方のエッジにf0成分と逆相のf0成分が現れる。光変調器15は、振幅中心に対して対称な駆動波形で送信光を変調する。

0026

同期検波部163は、低周波信号f0を用いて、光検出部155で検出された光変調信号に含まれる低周波成分(f0成分)を同期検波する。

0027

実施形態の特徴として、バイアス電圧制御部162は、光変調器15の駆動振幅の変化の割合に依らずに、同期検波部163で検出された低周波成分が、重畳された低周波信号f0と同相かつ大きさが最大となるように、Iアーム15IとQアーム15Qに印加されるバイアス電圧を制御する。位相シフト部153の制御に関しては、Iアーム15IとQアーム15Qの光強度が等しくなるように制御すればよく、公知の技術を利用することができるので、詳しい説明は省略する。

0028

図8図10は、図7の光送信機10Aの動作を説明する図である。光変調器15の駆動振幅を1×Vπとする。説明を容易にするために、駆動信号を「1」と「0」が交互に並ぶ交番信号とし、光検出部155と同期検波部163を含むモニタ系は、十分に広帯域であるとする。

0029

図8は、バイアス電圧が最適状態にある場合、すなわち、駆動波形の振幅中心が光変調器15の駆動電圧対光強度特性の光強度の最低点に位置する場合を示す。重畳された低周波信号f0によって駆動振幅が大きくなるときは、高電圧側の動作点も、低電圧側の動作点も、光強度が大きくなる方向に動く。重畳された低周波信号f0によって駆動振幅が小さくなるときは、高電圧側の動作点も、低電圧側の動作点も、光強度が小さくなる方向に動く。その結果、重畳されたf0信号と同相のf0成分が同期検波される。

0030

図9は、バイアス電圧が0.5×Vπだけずれた場合を示す。駆動信号の振幅中心は、駆動電圧対光強度特性の光強度の中腹点にある。この場合、重畳された低周波信号f0によって駆動振幅が変化すると、高電圧側では光強度の最高点で動作点が折り返されて2×f0成分が現れる。低電圧側では光強度の最低点で動作点が折り返されて、高電圧側と逆相の2×f0成分が現れる。これら二つの2×f0成分は互いに打ち消し合い、光変調器15の出力からはf0成分も2×f0成分も検出されない。

0031

図10は、バイアス電圧が1.0×Vπだけずれている場合を示す。重畳された低周波信号f0によって駆動振幅が増大する方向に変化すると、高電圧側の動作点も、低電圧側の動作点も、光強度が小さくなる方向に動く。重畳された低周波信号f0によって駆動振幅が小さくなる方向に変化すると、高電圧側の動作点も、低電圧側の動作点も、光強度が大きくなる方向に動く。その結果、重畳されたf0信号と逆相のf0成分が同期検波される。

0032

図11は、駆動振幅を1×2Vπ、0.8×2Vπ、0.6×2Vπ、0.5×2Vπ、0.4×2Vπ、0.2×2Vπと変化させて、最適点からのバイアスずれと検出される低周波成分の関係を計算により求めたものである。符号がプラスのとき、低周波成分の極性は光変調器15の駆動信号に重畳した低周波信号f0と同相であり、符号がマイナスのときは、重畳した低周波信号f0と逆相である。

0033

駆動振幅の大きさに関係なく、バイアスずれが0(0×Vπ)のとき、同期検波される低周波成分は常に最大となる。このときの低周波成分の極性は、駆動信号の振幅に重畳した低周波信号f0と同相である。バイアスずれが大きくなるにつれ、同期検波される低周波成分は小さくなり、バイアスずれが±0.5×Vπのときにゼロとなる。バイアスずれがさらに大きくなると、低周波成分が検波されるが、このときに同期検波される低周波成分の極性は、駆動信号の振幅に重畳した低周波信号f0に対して逆相になる。バイアスずれが±1×Vπのときに、同期検波される低周波成分の大きさ(絶対値)は再び最大となる。

0034

図11から、駆動振幅が変動しても、同期検波されるf0成分が、重畳された低周波信号f0と同相かつ最大となるようにバイアス電圧を制御することで、バイアス電圧を最適点に設定することができる。経年変動や温度変化により駆動振幅が変動しても、同期検波されるf0成分を、重畳された低周波信号f0と同相で最大化する制御により、バイアス電圧を最適点へ設定することができる。また、駆動振幅によってf0成分がゼロになったり極性が変わることがないので、安定制御が実現できる。

0035

図12は、Iアームに与えられるバイアス電圧を制御するフローチャートである。Qアームのバイアス制御も同様である。まず、Iアームのマッハツェンダ型変調器15Iの駆動信号の振幅に低周波信号f0を重畳し、f0信号を用いて、光検出部155で検出された電流信号からf0成分を同期検波する(S101)。

0036

次に、検波されたf0成分が重畳されたf0信号に対して同相か逆相かを判断する(S103)。同相のときは、バイアスずれが0〜0.5×Vπであることを示し、逆相のときはバイアスずれが0.5×Vπ〜1.0×Vπであることを示す。次に、同期検波されたf0成分が、前回検波されたf0成分より大きいか小さいかを判定する(S105及びS107)。

0037

検波されたf0成分が同相(S103でYES)、かつ前回検波されたf0成分よりも大きい場合は(S105でYES)、バイアス電圧が最適値に近づいていることを示すので、前回と同じ方向にバイアス電圧を制御する(S109)。検波されたf0成分が同相(S103でYES)であり、前回検波されたf0成分よりも小さい場合は(S105でNO)、バイアス電圧が最適値から離れていることを示すので、制御方向を反転させて前回と逆の方向にバイアス電圧を制御する(S111)。

0038

検波されたf0成分が逆相(S103でNO)であり、その大きさが前回検波されたf0成分よりも大きい場合は(S107でYES)、バイアス電圧が最適値から離れていることを示すので、制御方向を反転させて前回と逆の方向にバイアス電圧を制御する(S113)。検波されたf0成分が逆相(S103でNO)であり、その大きさが前回検波されたf0成分よりも小さい場合は(S107でNO)、バイアス電圧は最適値に近づいていることを示すので、前回と同じ方向にバイアス電圧を制御する(S115)。

0039

制御方向が決まったら、所定量だけバイアス電圧を変化させる(S117)。バイアス電圧を変化させる電圧幅(ステップサイズ)は、検波された低周波(f0)成分の大きさに所定の演算を行った量である。たとえば、検波されたf0成分の大きの逆数に比例する量でもよいし、前回検波されたf0成分と今回検波されたf0成分の差の絶対値に比例する量でもよい。あるいは、固定量だけバイアス電圧を動かしてもよい。

0040

S101からS117のフローを繰り返すことで、モニタ信号から検出されるf0成分を同相かつ最大にすることができ、バイアス電圧を最適値にすることができる。

0041

図13は、図12のバイアス電圧制御フローの変形例を示す。図13で、図12と同じ工程には同じ符号を付けて詳細な説明を省略する。

0042

光検出部155で検出される光出力信号(電流信号)には雑音が存在するため、f0成分が小さいときに(バイアスずれが0.5×Vπ付近のとき)、同期検波が正しく行われないことがある。そこで、図13では、検出されるf0成分が小さい場合を考慮してバイアス制御を行う。

0043

光変調器15の駆動信号の振幅に低周波信号f0を重畳して光変調器15の出力信号からf0成分を検出した後(S101)、検出されたf0成分が閾値よりも大きいか否かを判断する(S201)。検出されたf0成分が閾値より大きいときは、図12と同様にS103〜S117の処理を行う。検出されたf0成分が閾値以下のときは、前回と同じ制御方向に固定量だけバイアス電圧を変化させる(S203)。この処理によって、バイアスずれが0.5×Vπ付近で制御が不能になることを防ぐ。

0044

図14は、図13のステップS203を説明する図である。実施形態では、駆動振幅に依らずに光変調器15の出力に含まれる低周波(f0)成分が、重畳された低周波信号と同相かつ最大となるように制御することでバイアス電圧を最適値にすることができる。しかし、バイアスずれが±0.5×Vπの近傍では、検出されるf0成分の大きさがゼロに近づき、f0成分がノイズに埋もれる可能性がある。そこで、閾値を設定して、同期検波されたf0成分の大きさ(絶対値)が閾値以下のときに、従前と同じ方向への固定値制御を行う。

0045

図14に示すように、バイアス電圧が最適値からプラス側にずれている場合も、マイナス側にずれている場合も、同期検波されるf0成分の値がグレーで示すゾーンに入ったときは、それまでにバイアス最適値へ向かう制御がなされていたことになる。したがって、f0成分の大きさ(絶対値)が閾値以下となった場合は、それまでと同じ方向にバイアス制御を続けることで、適切なバイアス制御を維持することができる。
<狭帯域化変調または多値化変調への適用>
図15は、光送受信機1をナイキストQPSKまたは16QAMに適用したときの光送信機10Bの構成を示す。図7と同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。図15では、ディジタル信号処理LSI(Large-Scale Integration circuit:大規模集積回路)11Bを用いてナイキストQPSK変調を行う。ディジタル信号処理LSI11Bは、送信用電気信号に対してナイキストフィルタリング処理デジタル信号処理)を行う。ナイキストフィルタリング処理により、周波数スペクトルを狭帯域化して、周波数利用効率を高める。狭帯域化されたQPSK信号は、平均駆動振幅に対してピーク駆動振幅が大きくなるが、ピーク部分まで光変換して送出するためには、平均駆動振幅を1×Vπ近傍まで低減する(図1(B)参照)。実施形態の構成・手法を用いることで、駆動振幅が1×Vπの場合でも変調器出力からf0成分を検波することができるので、図12または図13のフローチャートに従ってバイアス電圧の制御が可能になる。

0046

16QAMの場合も、ディジタル信号処理LSI11Bにより16QAM電気波形を生成することができる。バイアス制御は、ナイキストQPSKの場合と同様に、検出されるf0成分が最大になるようにバイアス電圧を制御する。

0047

図16は、16QAMの場合のf0成分の大きさとバイアスずれの関係を計算したグラフである。図11に示したQPSK波形と同様に、駆動振幅の大きさに依らず、バイアス最適点でf0成分が最大になるので、図12または図13のフローチャートに従ってバイアス制御を行うことができる。64QAM,128QAMなど、さらなる多値変調波形においても、検出されるf0成分の大きさとバイアスずれの関係は同様になるので、16QAMの場合と同じバイアス制御が可能である。

0048

図17は、光送受信機1で用いられる光送信機の変形例として光送信機10Cの構成を示す。上述した実施形態の構成及び手法では、駆動振幅にかかわらず同期検波されるf0成分が同相かつ最大になるようにバイアス電圧を一律制御することができるが、駆動振幅によってf0成分の検出感度が異なる(図11参照)。そこで、図17では駆動振幅と重畳される低周波信号f0の大きさの少なくとも一方を調整する。

0049

光送信機10Cの制御部16Cは、低周波発生部161、バイアス電圧制御部162、及び同期検波部163に加えて、ピーク検出部164と振幅制御部165を有する。ピーク検出部164は、変調器ドライバ13aと13bから出力される駆動信号のピークの大きさを検出し、検出結果を振幅制御部165に供給する。振幅制御部165は、駆動信号のピークの大きさに基づいて、同期検波されるf0成分の検出感度が一定になるように、重畳される低周波信号f0の大きさを調節する。低周波発生部161、バイアス電圧制御部162、及び同期検波部163の構成、動作は、図7を参照して説明したのと同様であるため重複する説明を省略する。

0050

また、QPSK波形において、駆動振幅が2×Vπのときは同期検波されるf0成分の感度はゼロになるが(図11参照)、駆動振幅が2×Vπよりも小さくなるように駆動振幅を調節する。これにより、光変調器15の出力に含まれるf0成分を同期検波することができ、バイアス制御が可能になる。この場合は、ピーク検出部164で駆動振幅の大きさを検知して、振幅制御部165に検知結果を供給する。振幅制御部165は、検知された駆動振幅が2×Vπのときは駆動振幅を少し下げるように駆動振幅を調節する。
<半導体光変調器への適用>
図18は、半導体光変調器を用いる場合の基板バイアスと位相の関係を示す。半導体光変調器の場合、温度変化や経時変化による駆動信号に対する光出力特性のずれを補正するためのバイアス制御の他に、「基板バイアス」の制御が存在する。基板バイアスの電圧値が大きくなると位相回転の傾きが上昇する。これは、光変調器の半波長電圧Vπが小さくなることに対応する。基板バイアスの最適点は、位相をπだけ変化させるのに必要な電圧Vπの中心点である。

0051

図19は、光変調器15として半導体光変調器15dを用いたQPSK用の光送信機10Dの構成を示す。半導体光変調器15dは、LiNbO3結晶屈折率変化ポッケルス効果)を利用して位相変調を行うLNマッハツェンダ型変調器と異なり、光の吸収による位相変化を利用して位相変調を行う。光検出部155により半導体光変調器15dの出力の一部がモニタされモニタ信号(電流信号)が制御部16Dにフィードバックされる。

0052

制御部16Dは、低周波発生部161と、同期検波部163と、位相バイアス電圧制御部162Dと、基板バイアス電圧制御部167を有する。位相バイアス電圧制御部162Dは、図7図15、及び図17のバイアス電圧制御部162と同様の機能、構成を有するが、「基板バイアス」の制御と区別する目的で、図19では「位相バイアス電圧制御部162D」と称している。

0053

低周波発生部161は、低周波信号f0を生成して、基板バイアス電圧制御部167で生成される基板バイアスに低周波信号f0を重畳する。すなわち、変調器ドライバ13a、13bで生成される駆動信号に低周波信号f0を重畳する替わりに、Iアーム15IとQアーム15Qに印加される基板バイアスに低周波信号f0を重畳する。駆動信号に低周波信号f0を重畳するのも、基板バイアスに低周波信号f0を重畳するのも、光変調器の半波長電圧Vπと駆動信号の振幅の割合を変化させるという点で同じである。重畳した低周波信号f0により基板バイアスが高電圧に振れると半波長電圧Vπが小さくなる(図18参照)。このとき、変調器の半波長電圧Vπに対する駆動振幅は増大する方向に変化する。これは駆動信号に低周波(f0)信号が重畳されて駆動振幅が大きくなる場合と同じである。すなわち、基板バイアスを低周波信号で振幅変調することで、光変調器15の半波長電圧に対する駆動振幅は、図7(B)のようになる。結局、同期検波部163で検出されるf0成分の大きさと基板バイアスずれの関係は、図11と同じになる。したがって、同期検波部163により検出されるf0成分が同相かつ最大になるようにバイアス電圧(位相バイアス電圧)が制御され、図12または図13制御フローが適用される。

0054

半導体光変調器を用いる場合も、図17の構成を用いて駆動信号のピークを検出して駆動振幅が半波長電圧Vπの2倍にならないように、好ましくはVπの2倍よりも小さくなるように制御することができる。

0055

図6の光送受信機1で、送信用の光源12と局発光用光源22を用いているが、一つの光源からの光を分岐して送信光と局発光を生成してもよい。

0056

1光送受信機
10、10A、10B、10C、10D光送信機
11、11A、11B信号処理回路
12光源(送信用光源)
15光変調器
15d半導体光変調器
15I 第1の変調器(Iアーム)
15Q 第2の変調器(Qアーム)
16、16A、16C、16D 制御部
21受信フロントエンド
22局発光用光源
153位相シフト部
155光検出部
161低周波発生部
162バイアス電圧制御部
163同期検波部
164ピーク検出部
165振幅制御部
167基板バイアス電圧制御部

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