(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発振する光源と、前記光源から出射された光を変調して出力する光変調器と、前記光変調器における光の強度変化及び光の位相変化の関係に光の強度による重みを考慮して表現した前記光変調器の消光特性とチャーピング特性に基づくパラメータの値が所定の範囲を満たすように前記光変調器の駆動ポイントを調整するよう構成された変調器駆動回路とを備えたことを特徴とする光送信器。
【請求項２】
前記変調器駆動回路は、前記光変調器の駆動ポイントを調整するための駆動ハイレベル調整部及び駆動ローレベル調整部を有することを特徴とする請求項１記載の光送信器。
【請求項３】
前記変調器駆動回路は、前記光変調器の出力の光波形のクロスポイントを調整可能に構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の光送信器。
【請求項４】
前記変調器駆動回路は、前記光変調器の出力の光波形のクロスポイントを５０％以上に調節可能なクロスポイント位置調整部を有することを特徴とする請求項１または２記載の光送信器。
【請求項５】
光源から出射された光を変調して出力する光変調器を備えた光送信器と、前記光送信器からの光信号を伝送する光ファイバ伝送路と、前記光ファイバ伝送路を介して前記光信号を受信する光受信器とを備えた光伝送システムであって、前記光変調器における光の強度変化及び光の位相変化の関係に光の強度による重みを考慮して表現した前記光変調器の消光特性とチャーピング特性に基づくパラメータの値が前記光送信器と光受信器間における受信感度劣化を表す伝送ペナルティの所定の範囲に入るように構成されたことを特徴とする光伝送システム。
【請求項６】
前記光ファイバ伝送路に光アンプが配置されたことを特徴とする請求項５記載の光伝送システム。
【請求項７】
請求項１記載の光送信器における変調器駆動回路として使用される変調器駆動集積回路であって、光変調器の駆動ポイントを調整するための駆動ハイレベル調整端子及び駆動ローレベル調整端子を備えたことを特徴とする変調器駆動集積回路。
【請求項８】
光変調器の出力の光波形のクロスポイントを調節するためのクロスポイント位置調整端子を備えたことを特徴とする請求項７記載の変調器駆動集積回路。
【請求項９】
光の強度変化と光の位相変化の関係に光の強度による重みを考慮して表現した光変調器の消光特性とチャーピング特性に基づくパラメータを用いて、前記光変調器のファイバ伝送特性を評価することを特徴とする伝送特性評価方法。
【請求項１０】
光変調器の出力波形をアイパターンで表したときのアイ開口率と、光変調器のファイバ伝送後の出力波形をアイパターンで表したときのアイ開口率を求め、両者のアイ開口率の比が一定の範囲内に入るように前記パラメータの範囲を決定することを特徴とする請求項９記載の伝送特性評価方法。
【請求項１１】
光変調器の出力信号の受信感度と、光変調器の出力信号をファイバ伝送させた後の受信感度を求め、両者の受信感度の比が一定の範囲内に入るように前記パラメータの範囲を決定することを特徴とする請求項９記載の伝送特性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光送信器及び光伝送システムに係り、特に電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）を搭載した光送信器及びそれを用いた光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報通信市場の急激な成長に伴い、高速光伝送を目的とした光送信器の開発が活発に行われている。これら光送信器の光源としては中継距離を伸ばすためにファイバ損失が最小となる１．５μｍ帯域のレーザ光を用いることが一般的である。しかし、既設のファイバの大部分は１．３μｍ帯域光にて群速度分散が０となる通常分散ファイバであり、１．５μｍ帯域光に対する通常分散ファイバの群速度分散は大きなものとなる。光送信器のチャープがこの大きな群速度分散の影響を受けると、光パルスの伝送劣化が発生する。ここでチャープとは、光の強度変調に伴う周波数ゆらぎである。従って、通常分散ファイバ伝送路において高品位な高速光伝送を実現するためには、光送信器のチャープを低減することが重要となる。
【０００３】
数１０ｋｍ以上の通常分散ファイバ伝送路における１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速光送信器には、レーザ直接変調方式に比較してより低チャープ性に優れた外部変調方式を採用することが必須である。外部変調方式では、レーザ光源と一緒にして小型集積化できる電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）が注目されており、これを分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）と集積化したＥＡ／ＤＦＢ集積化光源が用いられる。
【０００４】
ＥＡ変調器は、電気光学効果にもとづく外部電場による媒質の光吸収係数変化を動作原理とする。この光吸収係数変化は屈折率の変化を引き起こし、この屈折率変化によって光位相が変調される。これにより周波数のゆらぎが起こり、チャープが発生する。このようなことから、ＥＡ変調器またはＥＡ／ＤＦＢ集積化光源のチャープは、光吸収係数変化量に対する屈折率変化量（この比を「αパラメータ」と呼ぶ）により特徴づけられ、αパラメータとファイバ伝送特性との間には密接な関係が存在することが予想される。例えば、電子情報通信学会技報（ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ  ＲＥＰＯＲＴ  ＩＥＩＣＥ  １９９７−０８）５５−６０ページには、αパラメータとＥＡ変調器のバイアス電圧との関係を考慮した伝送シミュレータ作成し、αパラメータ及び伝送距離を与えてパワーペナルティの計算を行い、実験結果とを比較した例が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では、αパラメータを変化させたときのＥＡ変調器の消光特性（変調器印加電圧に対する光出力強度の関係）の変化分を考慮していない。実際の光変調器において伝送特性を求めるためには、ファイバ伝送後の光電場を求める必要があり、光電場を求めるためには、後で詳しく述べるように、αパラメータの変化分と光強度の変化分、すなわち消光特性の変化分も考慮する必要がある。
【０００６】
従来の方法では、この消光特性の変化分を考慮していないため、正確な光電場を求めることができない。また、所望の伝送特性に対するαパラメータを決定した場合に、必ずしも消光比が仕様の範囲内に入るとは限らない。これは、伝送特性に対して消光特性をチャーピング特性と別個に管理し、密接に関連する特性をそれぞれ独立なものとして扱っているためである。
【０００７】
この結果、従来は、実際に実現可能な光送信器あるいは光伝送システムを精度良く設計することが困難であった。また、素子動作原理に基づく本質的な性能制限を考慮した伝送設計ができないため、実際の伝送路に準ずる試験用伝送回線を構築し、ＥＡ変調器を用いて実際に伝送実験を行って伝送特性を把握し、これによりＥＡ変調器の素子選別を行う必要があった。
【０００８】
従って本発明の目的は、簡易な手段で伝送特性の優れた光送信器及び光伝送システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、光を発振する光源と、光源から出射された光を変調して出力する光変調器と、光変調器における光の強度変化及び光の位相変化の関係を表現したパラメータの値が所定の範囲を満たすように光変調器の駆動ポイントを調整するよう構成された変調器駆動回路とを備えた光送信器によって、達成される。このパラメータは光変調器の消光特性とチャーピング特性（αパラメータ）に基づいて算出され、更に光の強度による重みを考慮して表現することにより、精度を増すことができる。
【００１０】
ここで変調器駆動回路は、光変調器の駆動ポイントを調整するための駆動ハイレベル調整部及び駆動ローレベル調整部を有し、また光変調器の出力の光波形のクロスポイントを５０％以上に調節できるクロスポイント位置調整部を有する。この変調器駆動回路は、具体的には、集積回路で構成することができる。この変調器駆動集積回路は、光変調器の駆動ポイントを調整するための駆動ハイレベル調整端子及び駆動ローレベル調整端子を備え、また光変調器の出力の光波形のクロスポイントを調節するためのクロスポイント位置調整端子を備える。
【００１１】
また、本発明に係る光伝送システムは、光源から出射された光を変調して出力する光変調器を備えた光送信器と、光送信器からの光信号を伝送する光ファイバ伝送路と、光ファイバ伝送路を介して光信号を受信する光受信器とを備え、光変調器における光の強度変化及び光の位相変化の関係に光の強度による重みを考慮して表現したパラメータの値が光送信器と光受信器間における受信感度劣化を表す伝送ペナルティの所定の範囲に入るように構成される。このシステムは、光ファイバ伝送路に光アンプが配置されたものにも適用可能である。
【００１２】
更に、本発明に係る伝送特性評価方法では、光の強度変化と光の位相変化の関係に光の強度による重みを考慮して表現したパラメータを用いて、光変調器のファイバ伝送特性を評価する。このパラメータは、光変調器の消光特性とチャーピング特性（αパラメータ）に基づいて算出される。このパラメータの範囲は、光変調器の出力波形をアイパターンで表したときのアイ開口率と、光変調器のファイバ伝送後の出力波形をアイパターンで表したときのアイ開口率を求め、両者のアイ開口率の比が一定の範囲内に入るように決定される。あるいは、光変調器の出力信号の受信感度と、光変調器の出力信号をファイバ伝送させた後の受信感度を求め、両者の受信感度の比が一定の範囲内に入るようにパラメータが決定される。
【００１３】
この手法により、消光特性とαパラメータの関係から伝送実験を行うことなくファイバ伝送特性を推測することができ、変調器素子選別の簡易化が可能となる。また、所与の回線において伝送するのに必要な変調器の素子仕様を明確とすることが可能となる。また、伝送特性評価の基準としてアイパターンのアイ開口率、あるいは伝送ペナルティを用いることにより、伝送特性の評価を定量的に行うことができる。
このように本発明では、簡易な手段で伝送特性の優れた光送信器及び光伝送システムを得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
図１は、光伝送システムの構成を示すブロック図である。図のように光伝送システムは、光信号を出力する光送信器１と、光送信器１から出力された光信号を伝送する光ファイバ３と、光ファイバ３を介して光信号を受信する光受信器２とから構成される。
【００１５】
図２は、光送信器１の構成を示すブロック図である。図のように光送信器１は、モジュール２０に配置されたレーザダイオード（ＬＤ）１０と、ＬＤ１０を駆動するための駆動電流源９と、ＬＤ１０からの光出力を変調するＥＡ変調器８と、ＥＡ変調器８を駆動する変調器駆動回路７と、変調器駆動回路７に入力される信号を波形整形するフリップフロップ６とを有する。コネクタ５から入力されたデータ信号はコネクタ４から入力されるクロック信号のタイミングで、フリップフロップ６で波形整形された後に、変調器駆動回路７を介して電気／光変換デバイスであるＥＡ変調器８に入力される。ＥＡ変調器８は、駆動電流源９により駆動されたＬＤ１０の光出力を変調し、変調光信号をコネクタ１１を介して出力する。
【００１６】
ＥＡ変調器８とＬＤ１０は、両者をモノリシックに集積化した、いわゆるＥＡ／ＤＦＢ集積化光源として用いることができる。また、フリップフロップ６は必ずしも必要ではなく、変調器駆動回路７にデータ信号とその反転信号を入力するよう構成してもよい。
【００１７】
ここでＥＡ変調器８は、消光特性とチャーピング特性（αパラメータ）から、光の強度変化と光の位相変化の関係に光の強度による重みを考慮して両者の関係を定量的に表現したパラメータαｅｆｆ’が所定範囲の値となるよう、駆動条件が設定されたものである。
このパラメータαｅｆｆ’の算出方法について、以下説明する。ＥＡ変調器８は、印加電圧Ｖによって光出力Ｉ（Ｖ）と光位相φ（Ｖ）が制御される。ここでＥＡ変調器８の印加電圧Ｖ１、Ｖ２における光出力の比を、次の（数１）で消光比ＥＲとして定義する。
【００１８】
【数１】
0003686256.tif 000002
【００１９】
また、印加電圧Ｖにおける光の強度変化ｄＩと位相変化ｄφの関係は、印加電圧Ｖにおけるαパラメータを用いて、次の（数２）のように表わされる。
【００２０】
【数２】
0003686256.tif 000003
【００２１】
図３は、ＥＡ変調器８におけるαパラメータと消光比ＥＲの関係を示すグラフである。同図において、横軸は変調器印加電圧Ｖであり、実線はαパラメータの変化を示し、破線は消光比ＥＲの変化を示す。変調器印加電圧を大きくすると、図示のように、αパラメータと消光比ＥＲはいずれも小さくなる傾向にある。
α（Ｖ）及びＩ（Ｖ）が与えられると、（数２）より光位相の印加電圧特性φ（Ｖ）を求めることができる。これにより、次の（数３）のように光電場Ｅが求められる。
【００２２】
【数３】
0003686256.tif 000004
【００２３】
ここで、ｋは光強度の平方根で与えられる右辺を光電場に変換する定数、ωは光源の角周波数である。
先の（数２）を積分型で記述すると、次の（数４）のように表わすことができる。
【００２４】
【数４】
0003686256.tif 000005
【００２５】
（数１）及び（数４）より、消光比、αパラメータ、光出力Ｉ（Ｖ）、光位相φ（Ｖ）の関係が分かる。（数４）は、印加電圧Ｖを媒介として、次の（数５）のように表わすことができる。
【００２６】
【数５】
0003686256.tif 000006
【００２７】
（数５）において、αパラメータが印加電圧Ｖに依存せず、一定値αｅｆｆをとるとすると、次の（数６）のようになる。
【００２８】
【数６】
0003686256.tif 000007
【００２９】
図４は、ＥＡ変調器８の光強度ｌｏｇＩと光位相φの関係を示す図である。図において、線Ａは（数５）の光強度ｌｏｇＩに対する光位相φの軌跡を示す。また、線ＢはＥＡ変調器８の印加電圧をＶ１（点ａ）からＶ２（点ｂ）まで変化させたときの光強度ｌｏｇＩに対する光位相φの軌跡を示す。線Ｂは、（数６）から分かるように、傾きαｅｆｆ／２の直線であり、ＥＡ変調器８のある駆動条件における光強度と光位相の関係を表す。すなわち、（数３）と（数６）から群速度分散を有するファイバ伝送後の光電場を求めることができるので、光伝送特性の推測が可能となる。
【００３０】
しかし、実際の光変調器では、光強度が微弱となる印加電圧Ｖ２における光の位相変化量（点ｂ）よりも、光強度が強い印加電圧Ｖ１における光の位相変化量（点ａ）の方がファイバ伝送特性に、より強く影響を与える。そこで本発明では、より正確な伝送特性の推測が可能となるよう、線Ｂに示す値に光強度による重みを考慮する。この光強度による重みを考慮したものが図４に示す線Ｃである。線Ｃの傾きを、線Ｂの傾きαｅｆｆ／２に対して、αｅｆｆ’／２と定義する。パラメータαｅｆｆ’の具体的な算出方法は以下のとおりである。簡単のために印加電圧ＶにおけるｌｏｇＩ（Ｖ）、φ（Ｖ）を次の（数７）のように定義し、図４のｌｏｇＩ−φ平面をｘｉ−ｙｉ平面に変換する。
【００３１】
【数７】
0003686256.tif 000008
【００３２】
次に、ａ、ｂを実数として図４の線Ｂを（数８）のように定義する。
【００３３】
【数８】
0003686256.tif 000009
【００３４】
座標（ｘi、ｙi）における光強度をｗiとする。そして（数８）を変形し、これを２乗してｗiをかけたものの総和を（数９）のように定義する。
【００３５】
【数９】
0003686256.tif 000010
【００３６】
（数９）をａ、ｂで偏微分して、次の（数１０）を得る。
【００３７】
【数１０】
0003686256.tif 000011
【００３８】
これをａ、ｂについて解けば、２×ａが求めるべきパラメータαｅｆｆ’となる。具体的には、次の（数１１）を求めればよい。
【００３９】
【数１１】
0003686256.tif 000012
【００４０】
図５は、αｅｆｆに対するαｅｆｆ’の有効性を示すため、ＥＡ／ＤＦＢ集積化光源においてＥＡ駆動条件を変化させてαｅｆｆ’を実測した結果と、その駆動条件に対応するαｅｆｆ、αｅｆｆ’を計算した結果を示す図である。図５から分かるように、本発明の光の重みを考慮したαｅｆｆ’の算出方法では、光の重みを考慮しないαｅｆｆに比べて、実測のαｅｆｆ’をより精度よく計算できることがわかる。
【００４１】
図６は、αｅｆｆ’によって伝送特性を予測する例として、図１の構成における通常分散ファイバ４０ｋｍ無中継伝送に関して、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓでの伝送を可能とするためのＥＡ変調器のαｅｆｆ’の範囲を、シミュレーション（計算）から求めた結果と、実測から求めた結果を示すグラフである。図において、◆は計算結果を、○は実測結果をそれぞれ示す。本図によれば、計算と実測が良く対応していることが分かる。また、伝送特性とαｅｆｆ’はほぼ一対一で対応しており、両者の関係は曲線近似によって表すことができる。
【００４２】
一般に、伝送可能性の判断基準としては、伝送ペナルティが用いられる。伝送ペナルティとは、光送信器出口の信号の受信感度と光受信器入口の信号の受信感度の比をいう。伝送可能の基準を伝送ペナルティが１ｄＢ以下の場合とすれば、図６より、通常分散ファイバ４０ｋｍを伝送可能とするαｅｆｆ’の範囲は、−２．５８以上−０．２８以下と判断できる。すなわち、あるＥＡ変調器において通常分散ファイバ４０ｋｍを伝送可能とするためには、αｅｆｆ’が−２．５８以上−０．２８以下となるよう駆動条件を設定すればよいのである。
【００４３】
図７は、変調器駆動回路７に備えられる変調器駆動ＩＣの外部構成を示すブロック図である。図のように、変調器駆動ＩＣ２１は、入力端子２２、出力端子２３、クロスポイント位置調整端子２４、駆動ハイレベル調整端子２５、及び駆動ローレベル調整端子２６を有する。
【００４４】
ここで、駆動ハイレベル調整端子２５と駆動ローレベル調整端子２６は、チャーピング特性を抑圧し伝送特性を向上させるため、変調器の駆動ポイントを任意に設定できるように設けられたものである。また、クロスポイント位置調整端子２４は、出力信号のクロスポイントを５０％付近に調節できるように設けられたものである。深い駆動ハイレベルにてＥＡ変調器を駆動した場合には、ＥＡ変調器の消光特性カーブの特性上、光波形アイパターンのクロスポイントが５０％より下になるため受信器の識別点との不整合を起こし、受信感度が劣化することが考えられる。そこでクロスポイントを５０％以上に調節できるようにしたのである。これらの設定や調節は、各端子２４〜２６にそれぞれ所望の直流電圧を印加することにより行われる。これにより、受信感度の劣化を抑えながらパラメータαｅｆｆ’の値が所定の範囲に入るように、ＥＡ変調器の駆動ポイントを適当な位置に容易に設定することができる。
【００４５】
図８は、以上の説明を簡略化したフロー図である。図のように、ブロック３１では、ＥＡ変調器の消光特性データとして消光比ＥＲ（Ｖ）を求め、またブロック３２では、印加電圧Ｖにおけるαパラメータとしてα（Ｖ）を求める。ブロック３３では、ＥＡ変調器駆動条件を設定する。ブロック３４では、光の強度変化ｄＩ（Ｖ）と光の位相変化ｄφ（Ｖ）の関係をα（Ｖ）を用いて表わし、これとＥＲ（Ｖ）とから、光出力と光位相の関係を求める。この関係にブロック３５の光強度の重みを考慮し、ブロック３６において任意のＥＡ変調器の駆動条件におけるパラメータαｅｆｆ’を算出する。ブロック３７では、このαｅｆｆ’から伝送特性を把握する。このαｅｆｆ’では伝送特性が不十分の場合は、ブロック３８において、伝送特性を満足するＥＡ変調器駆動条件を付与し、ブロック３３において、ＥＡ変調器駆動条件を再設定する。これにより再度αｅｆｆ’を算出する。
【００４６】
本発明により、任意の伝送回線構成におけるＥＡ変調器の複数の駆動条件における伝送特性と、その時のαｅｆｆ’を求めておけば、任意の伝送回線において伝送を可能とするαｅｆｆ’の範囲を明らかにすることが可能となる。すなわち、伝送特性が不明なＥＡ変調器について、任意の駆動条件におけるαｅｆｆ’を求めることにより、伝送実験を行わずに伝送特性を推測することが可能となる。
【００４７】
また本発明では、例えば図９に示す光アンプを用いた伝送回線にも適用可能である。あらかじめ光アンプ１２、１２’の出力を任意の値に調節した際の、任意の駆動条件におけるＥＡ変調器のαｅｆｆ’と伝送特性の関係を調べておけば、伝送可能なαｅｆｆ’の範囲を決定でき、ＥＡ変調器の伝送の可能性の推測が可能となる。
【００４８】
以上、本実施例から、任意のＥＡ変調器の任意の駆動条件におけるαｅｆｆ’を求めることにより、伝送実験を行うことなくそのＥＡ変調器が所与の光ファイバ伝送路に適用できるかどうかを判定することが可能となった。また、所与の光ファイバ伝送路に適用可能なαｅｆｆ’を実現できるＥＡ変調器素子を選別することにより、伝送特性に優れた光変調器、光送信器、光伝送システムの実現が可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、簡易な手段で伝送特性の優れた光送信器及び光伝送システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図２】光送信器の構成を示すブロック図である。
【図３】ＥＡ変調器におけるαパラメータと消光比ＥＲの関係を示すグラフである。
【図４】ＥＡ変調器の光強度ｌｏｇＩと光位相φの関係を示す図である。
【図５】αｅｆｆ’を実測した結果と、その駆動条件に対応するαｅｆｆ、αｅｆｆ’を計算した結果を示す図である。
【図６】４０ｋｍ無中継伝送システムに対するＥＡ変調器のαｅｆｆ’の範囲の計算結果と実測結果を示すグラフである。
【図７】変調器駆動ＩＣの外部構成を示すブロック図である。
【図８】αｅｆｆ’の算出方法を説明するためのフロー図である。
【図９】光アンプを用いた光伝送システムの構成図である。
【符号の説明】
１  光送信器
２  光受信器
３  光ファイバ
４  クロック入力
５  データ入力
６  フリップフロップ
７  ＥＡ変調器駆動回路
８  ＥＡ光変調器
９  ＬＤ制御回路
１０  ＬＤ
１１  光出力
１２  光アンプ
【図１】
0003686256.tif 000013
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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