(57)【要約】【課題】本発明は、高速データ信号の駆動振幅一定で、あらかじめ動作条件テーブルを作成せず、動作時に入力波長を知ることも無く、経時変化により動作条件が変化した場合にも動作状態に適応し、変調特性が変化しない光変調器制御装置および方法を提供する。【解決手段】本発明は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、前記２つの光導波路の片方あるいは両方に、変調電極バイアス電圧をバイアスされたデータ信号が印加される変調電極を含んだ前記マッハツェンダ変調器と、光出力パワーが最大となるように前記変調電極バイアス電圧を制御する自動半波長電圧制御回路とを備えたことを特徴とする。【選択図】図５
2014010187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、
前記２つの光導波路の片方あるいは両方に、変調電極バイアス電圧をバイアスされたデータ信号が印加される変調電極を含んだ前記マッハツェンダ変調器と、
光出力パワーが最大となるように前記変調電極バイアス電圧を制御する自動半波長電圧制御回路と
を備えたことを特徴とするマッハツェンダ光変調器を用いた光位相変調装置。
【請求項２】
マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、
前記２つの光導波路の片方あるいは両方に、変調電極バイアス電圧をバイアスされたデータ信号が印加される変調電極を含んだ前記マッハツェンダ変調器と、
マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路を結合する合波器が２入力２出力型の３ｄＢ合波器で構成され、前記合波器の光伝送路に出力されるポートと反対側のポートの光パワーが最小となるように前記変調電極バイアス電圧を制御する自動半波長電圧制御回路と
を備えたことを特徴とするマッハツェンダ光変調器を用いた光位相変調装置。
【請求項３】
マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、
前記２つの光導波路の片方あるいは両方に、変調電極バイアス電圧をバイアスされたデータ信号が印加される変調電極を含んだ前記マッハツェンダ変調器と、
マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路を結合する合波器が２入力２出力型の３ｄＢ合波器で構成され、前記合波器の光伝送路に出力されるポートと反対側のポートと光伝送路に出力されるポートの光パワーの比が最大となるように前記変調電極バイアス電圧を制御する自動半波長電圧制御回路と
を備えたことを特徴とするマッハツェンダ光変調器を用いた光位相変調装置。
【請求項４】
マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、
前記２つの光導波路の片方あるいは両方に、変調電極バイアス電圧をバイアスされたデータ信号が印加される変調電極を含んだ前記マッハツェンダ変調器と、
前記変調電極にディザ信号を重畳するディザ信号重畳回路と、前記ディザ信号が重畳された変調器の出力光の一部を分岐する光分岐回路と、分岐された出力光からディザ信号成分を検出するディザ信号検出回路と、検出されたディザ信号が最小になるように前記変調電極バイアス電圧を制御する変調電極バイアス電圧制御回路とから構成される自動半波長電圧制御回路と
を備えたことを特徴とするマッハツェンダ光変調器を用いた光位相変調装置。
【請求項５】
マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、
変調電極と接地電極との間にデータ信号を印加するように、前記２つの光導波路の片方の光導波路に前記変調電極を、もう一方の光導波路に前記接地電極を含み、
前記２つの光導波路に共通の底面に接続された変調電極バイアス電圧印加電極を含んだシングル駆動プッシュプル構成型のマッハツェンダ変調器と、
光出力パワーが最大となるように前記変調電極バイアス電圧印加電極電圧を制御する自動半波長電圧制御回路と
を備えたことを特徴とするマッハツェンダ光変調器を用いた光位相変調装置。
【請求項６】
マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、
変調電極と接地電極との間にデータ信号を印加するように、前記２つの光導波路の片方の光導波路に前記変調電極を、もう一方の光導波路に前記接地電極を含み、
前記２つの光導波路に共通の底面に接続された変調電極バイアス電圧印加電極を含み、
前記２つの光導波路のうちのいずれかまたは両方の光導波路に動作点制御回路により制御される位相差調整電極を含んだシングル駆動プッシュプル構成型のマッハツェンダ変調器と、
前記変調電極バイアス電圧印加電極にディザ信号を重畳するディザ信号重畳回路と、前記ディザ信号が重畳された変調器の出力光の一部を分岐する光分岐回路と、分岐された出力光からディザ信号成分を検出するディザ信号検出回路と、検出されたディザ信号が最小になるように前記変調電極バイアス電圧印加電極電圧を制御する変調電極バイアス電圧制御回路とから構成される自動半波長電圧制御回路と
を備えたことを特徴とするマッハツェンダ光変調器を用いた光位相変調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信において使用するマッハツェンダ変調器を用いた光位相変調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバ通信においては、伝送特性の向上のため、光の位相を用いた光位相変調や強度と位相を用いた光多値変調が行われている。これらの位相変調・多値変調には、外部変調器としてマッハツェンダ（Mach-Zehnder；MZ）型の光変調器を用いた２値位相（Binary Phase Shift Keying; ＢＰＳＫ）変調器（特許文献１）やＢＰＳＫ変調器を２個用いて構成したＱＰＳＫ光変調器（非特許文献１）やＢＰＳＫ変調器を４個用いて構成した１６ＱＡＭ変調器が使われている。
【０００３】
マッハツェンダ変調器は、入力光を２つの光導波路に分岐し、２つの光導波路を再び合波して光出力するマッハツェンダ型光干渉計を構成し、片側あるいは両方の光導波路に設けられた電極に電圧を印加することにより光導波路を伝搬する光に位相変化を与え、発生した位相差に応じて出力される光強度および光位相を変化させて、変調動作を実現する装置である。
【０００４】
図１は、半導体マッハツェンダ変調器を用いた従来の光強度変調装置の模式図であり、特許文献２の図３を書き直した図である。まずは、半導体マッハツェンダ変調器１０について、その構成を説明する。マッハツェンダ型光変調器の干渉計を構成する２つの光導波路のうち、第１のアーム１を構成する光導波路には、変調電極バイアス電圧をバイアスされた高速データ信号電圧が印加される変調電極１１を備え、第２のアーム２を構成する光導波路には干渉計の位相差を調整するために、位相差調整電圧を印加される位相差調整電極１２を備えている。
【０００５】
半導体マッハツェンダ変調器は、マッハツェンダ型光変調器の干渉計の光の位相差が電極に印加される電圧に対して非線形に増加する特性を有している。そこで、この特性に起因する半導体マッハツェンダ変調器特有の特性を説明する。
【０００６】
図２は、半導体マッハツェンダ変調器のアーム上の電極の電圧（半導体マッハツェンダ変調器では電圧を印加するために半導体PN接合に対して逆バイアス電圧を印加する。光導波路を構成する半導体のPN接合の向きによって負電圧を印加することもあるが、電圧の大小について混乱を招くので、本発明の説明では電圧の絶対値を用いて、統一的に説明することにする）に対する各アーム間を伝搬する光の位相差（アーム間位相差）の特性図である。ここで、横軸は、第１のアーム１の変調電極の電圧あるいは第２のアーム２の位相差調整電極の電圧、縦軸は第１のアーム１を伝搬する光と第２のアーム２を伝搬する光との位相差である。
【０００７】
図１の半導体マッハツェンダ変調器の２つの電極の電圧が０の場合、第１のアーム１と第２のアーム２が等しく構成されているとすれば、第１のアーム１を伝搬する光は、第２のアーム２を伝搬する光と同じ位相の光であり、位相差は０である。ここで、第１のアーム１の電圧を０から大きくしていくと、第１のアーム１を伝搬する光の屈折率が変化していく。これにより、第１のアーム１を伝搬する光は、第２のアーム２を伝搬する光に対して位相差を持つようになる。第１のアーム１の電圧を大きくするにしたがって、位相差は大きくなる。図２はこの様子を示している。
【０００８】
このときの出力光強度の変化を図３で示す。半導体マッハツェンダ変調器のアーム上の電極の電圧と光出力の関係を示した特性図である。消光特性と呼ばれる。横軸は第１のアーム１の変調電極の電圧あるいは第２のアーム２の位相差調整電極の電圧、縦軸はマッハツェンダ型光干渉計を構成する光変調器の出力光強度である。半導体マッハツェンダ変調器の２つの電極の電圧が０の場合、位相差が０であるため、この両者がマッハツェンダ型光干渉計の出力端で合波されると、入力光と同じ強度の変調光が再生され、出力光強度は最大となり、光変調動作を行なった場合の出力光のオンレベルが出力される。
【０００９】
第１のアーム１の電圧を０から大きくしていくと出力光強度が減少し、ある入力電圧で、第１のアーム１を伝搬する光と第２のアーム２を伝搬する光との位相差がちょうどπとなり、この両者がマッハツェンダ型光干渉計の出力端で合波されると、お互いに打ち消しあって消光される。このようにして、出力光のオフレベルが出力される。ここで、出力光がオンレベルになる電圧と出力光がオフレベルになる電圧の差を半波長電圧Vπと呼ぶ。
【００１０】
さらに電圧を大きくすると位相差がπより増加して出力光強度が増加し、位相差がちょうど２πになるときに、出力光強度がふたたび最大となり、オンレベルが出力される。図３はこの様子も示している。このようにして、入力電圧の値に応じて出力光強度が変化するので、マッハツェンダ型変調器は、入力電圧（入力電気信号）を変化させることにより、出力光強度を変化（変調）することができる。
【００１１】
第２のアーム２に対しても同様に電圧を変えることにより、出力光強度を変化させることができる。第１のアーム１と第２のアーム２に同時に電圧を印加することもできる。第１のアーム１に電圧を印加して位相差がある状態で、第２のアーム２の電圧を０から大きくして第１のアーム１の電圧に近づけると位相差が小さくなることに注意する必要が有る。
【００１２】
光導波路をニオブ酸リチウムで構成したマッハツェンダ変調器は、ポッケルス効果による光学効果を利用しているため、入力電圧に対して位相差が線形に変化し、電圧と位相差の関係が直線で表される。しかし、半導体マッハツェンダ変調器においては、図２に示すように、各アーム間を伝搬する光の位相差は入力電圧に対して非線形に増加していき、また、その傾きは入力電圧が大きくなるほど大きくなる。すなわち、下に凸で単調増加する曲線で表される。
【００１３】
この非線形な特性は、例えば、光導波路のコア層を半導体バルク材料で構成し、そのバンドキャップ波長を信号波長よりやや短波長側に設定した光導波路において生じるフランツケルディッシュ効果による電気光学効果、あるいは、光導波路のコア層を多重量子井戸層（ＭＱＷ）で構成した光導波路において生じる量子閉じ込めシュタルク効果による電気光学効果を利用する場合に現れる。半導体マッハツェンダ変調器は、電圧印加により屈折率の変化を引き起こす電気光学効果の起因として、ポッケルス効果に加えて、フランツケルディッシュ効果や量子閉じ込めシュタルク効果を利用しているため、非線形な特性が生じる。入力電圧に対する非線形な特性に起因して、図３の消光カーブにおいて、山と谷との間隔がだんだん詰まっているように示されている。また、この非線形な位相差特性により入力電圧を大きくするにしたがって半波長電圧Vπは小さくなる。
【００１４】
さらに、図２で入力光の波長を１５３０nmから１５６０nmまで変化させたときの特性からわかるように、入力光波長依存性があり、入力光の波長が短波から長波になるにしたがって、傾きが緩やかになっている。また、図３で入力光の波長を１５３０nmから１５６０nmまで変化させたときの特性からわかるように、入力光の波長が短波から長波になるにしたがって、山と谷との間隔が広くなっていく。すなわち、入力光の波長が短波から長波になるにしたがって、半波長電圧Vπは大きくなる。
【００１５】
一方、ニオブ酸リチウムを用いたマッハツェンダ変調器では、入力電圧に対して位相差が線形に変化するため、半波長電圧Vπは電圧に依存しない。また、半波長電圧Vπの波長依存性もない。
【００１６】
以上のように、半導体マッハツェンダ変調器においては、ニオブ酸リチウムを用いたマッハツェンダ変調器には無い電圧依存性や入力光波長依存性が存在する。
【００１７】
図４にマッハツェンダ変調器を用いたＢＰＳＫ変調の原理を説明する図を示す。ここで、電圧と出力光強度の関係を表した図を消光特性と呼び、左下側に示す。非変調時にマッハツェンダ型光変調器の光出力レベルが最小となるようにマッハツェンダ型光干渉計の位相差を調整した状態で、２値高速データ信号を電極に印加する。非変調時の位置を中心にデータ信号を変化させるため、非変調時の点を動作点と呼ぶ。図では●で示している。データ信号のハイレベルとローレベルで位相差がπになるようなデータ信号の振幅を調整して電極に印加することにより、出力光信号には、位相が０またはπの光信号が発生し、ＢＰＳＫ光変調を実現する。また、消光特性において、光出力レベルが最大と最小になる印加電圧の差を半波長電圧Vπと呼ぶが、ＢＰＳＫ変調を行う場合には、データ信号の振幅を２Ｖπにする。
【００１８】
従来、光導波路にニオブ酸リチウムを用いたマッハツェンダ変調器が用いられていたが、近年、光導波路に半導体材料を用いたマッハツェンダ変調器の利用が検討されている。半導体マッハツェンダ変調器は、ニオブ酸リチウムを用いた変調器に比べて小型であるという特長を有しており、光送信装置の小型化を実現するために有望な技術である。非特許文献２、非特許文献３といった構成により実現されている。
【００１９】
半導体マッハツェンダ変調器は、マッハツェンダ型光変調器の干渉計の光の位相差が電極に印加される電圧に対して非線形に増加する特性を有している。また、入力光波長、入力光パワー、素子温度によって印加電圧と位相差の関係が変化するという特性を持つ。したがって、半導体マッハツェンダ変調器においては、変調電極バイアス電圧、入力光波長、入力光パワー、素子温度などの条件が変わると、位相差や変調位相差をπにするために必要なデータ信号電圧振幅が変化する。
【００２０】
半導体マッハツェンダ変調器の位相差調整電極の調整手段と変調電極のバイアス電圧の調整手段のひとつの方法が、特許文献２に示されている。あらかじめ各入力波長において消光特性を測定して参照テーブルを作成し、変調動作時には、入力光の波長に応じて、あらかじめ作成しておいた参照テーブルにもとづいて、変調電極バイアス電圧Ｖｂおよび位相差調整電圧Ｖａを変更して設定することにより、波長によらず同じ変調振幅で同じ出力信号波形が得られるようにしている。但し、上記特許は位相変調ではなく強度変調（ＮＲＺ変調）に対して説明されている。
【００２１】
具体的には、特許文献２において、光強度変調装置は、図１に示すように、光変調器に入力される入力光の波長に応じて直流電源から供給する変調電極バイアス電圧Ｖｂを制御するバイアス電圧制御回路（第１アーム制御回路）２０と、入力光の波長に応じて直流電源から供給する位相差調整電圧Ｖａを制御する位相差調整電圧制御回路（第２アーム制御回路）３０を備えて構成されている。
【００２２】
バイアス電圧制御回路（第１アーム制御回路）２０内でバイアス電圧制御部２３は、入力光の波長とバイアス電圧Ｖｂとの対応テーブル２３ａを含む参照テーブルを参照して、入力光の波長に対応して予め定められた最適なバイアス電圧Ｖｂを読み出して、読み出したバイアス電圧になるように直流電源２２を制御する。また、位相差調整電圧制御回路（第２アーム制御回路）３０内で位相差調整電圧制御部３２は、入力光の波長と位相差調整電圧Ｖａとの対応テーブル３２ａを含む参照テーブルを参照して、予め定められた最適な位相差調整電圧Ｖａを読み出して、読み出した位相差調整電圧になるように直流電源３１を制御する。
【００２３】
しかしながら、この方法では、入力光として使用する全波長に対してあらかじめテーブルを作成しておく必要があるという課題がある。
【００２４】
さらに、何らかの手段により入力光の波長を知る必要が有る。波長がわからなければ、どの電圧に設定すればよいかわからない。
【００２５】
さらには、半導体マッハツェンダ変調器の位相差や半波長電圧Vπは、入力波長だけでなく、入力光パワーや素子温度によって変化するから、動作状態と入力光パワーや素子温度が同一条件でテーブルを作成しておく必要あり、入力光パワーや素子温度等の動作状態が変更になれば、テーブルを取り直さなければならない。
【００２６】
また、数年の長期にわたる動作は、半導体デバイスや駆動回路において、直列抵抗の増加や漏れ電流の増大などの経時変化を引き起こすことがある。経時変化により半波長電圧Vπが変化した場合や、経時変化により駆動回路の駆動振幅が変化した場合には、駆動振幅が過不足を生じる。したがって、変調特性が劣化することになる。
【００２７】
また、一般に高速データ信号電圧は直流電圧に比べて損失が大きいため、変調器に印加する高速データ信号を直流特性から求めた電圧に等しい振幅で発生させると、接続ケーブル、接続RF導波路、接続ワイヤー等の高周波損失により、実際に素子に印加される電圧は発生電圧より不足してしまう。そこで、その損失を測定し、あるいは推定し、高速データ信号の振幅は直流特性より求めた２倍の半波長電圧Vπより大きめにする必要があるが、必ずしも正確に損失が補償できるわけではないため、高周波の高速データ信号の振幅が実際の素子において所望の電圧で印加されているかどうかはわからない。すなわち、直流の消光特性測定値から高速データ信号の振幅を設定するのは難しい。
【００２８】
一方、ＢＰＳＫ変調を行う場合に、消光特性の測定データを用いない干渉計の位相差の調整方法およびデータ信号の駆動振幅の調整方法が、特許文献１に示されている。具体的には、光出力パワーが最大となるように位相差調整電極の電圧を制御することと、光出力パワーが最大となるように２値データ信号の駆動振幅を制御すること、とを択一的に順次行うことにより実現できることが示されている。しかしながら、この方法によれば、制御信号によって高速データ信号の駆動振幅を変化できる駆動装置を用いる必要があり、そのような駆動装置を作製することは、高コスト化、回路の複雑化を招くことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特許第２７６０８５６号公報
【特許文献２】特許第４２７２５８５号公報
【非特許文献】
【００３０】
【非特許文献１】R.A. Griffin and A.C. Carter、「Optical Differential Quadrature Phase-Shift Key (oDQPSK) for High Capacity Optical Transmission」、OFC2002、WX6 (2002).
【非特許文献２】I. Betty、M.G. Boudreau、R. Longone、R.A. Griffin、L. Laugley、A. Maestri、A. Pujol、B. Pugh、「Zero Chirp 10 Gb/s MQW InP Mach-Zehnder Transmitter with Full-Band Tunability」、OFC2007、OWH6 (2007).
【非特許文献３】Eiichi Yamada、Akira Ohki、Nobuhiro Kikuchi、Yasuo Shibata、Takako Yasui、Kei Watanabe、Hiroyuki Ishii、Ryuzo Iga、and Hiromi Oohashi、「Full C-band 40-Gbit/s DPSK Tunable Transmitter Module Developed by Hybrid Integration of Tunable Laser and InP n-p-i-n Mach-Zehnder Modulator」OFC2010、OWU4 (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
特許文献２の光変調器制御装置は、あらかじめ動作条件において消光特性を測定し、テーブルあるいは演算式を作成しておく手間が必要であるという課題、動作時に入力光の波長を知る必要があるという課題、さらに、経時変化により動作条件が変化した場合は、変調特性が変化するという課題があった。
【００３２】
特許文献１の方式によれば、あらかじめ消光特性を測定する必要がなく、また、動作点の変化と半波長電圧Vπの変化に対して追従できるが、高速データ信号の駆動振幅を変化させる必要があるという課題がある。
【００３３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、高速データ信号の駆動振幅一定で、あらかじめ動作条件テーブルを作成せず、動作時に入力波長を知ることも無く、経時変化により動作条件が変化した場合にも動作状態に適応し、変調特性が変化しない光変調器制御装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、前記２つの光導波路の片方あるいは両方に、変調電極バイアス電圧をバイアスされたデータ信号が印加される変調電極を含んだ前記マッハツェンダ変調器と、光出力パワーが最大となるように前記変調電極バイアス電圧を制御する自動半波長電圧制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００３５】
請求項２に記載の発明は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、前記２つの光導波路の片方あるいは両方に、変調電極バイアス電圧をバイアスされたデータ信号が印加される変調電極を含んだ前記マッハツェンダ変調器と、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路を結合する合波器が２入力２出力型の３ｄＢ合波器で構成され、前記合波器の光伝送路に出力されるポートと反対側のポートの光パワーが最小となるように前記変調電極バイアス電圧を制御する自動半波長電圧制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００３６】
請求項３に記載の発明は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、前記２つの光導波路の片方あるいは両方に、変調電極バイアス電圧をバイアスされたデータ信号が印加される変調電極を含んだ前記マッハツェンダ変調器と、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路を結合する合波器が２入力２出力型の３ｄＢ合波器で構成され、前記合波器の光伝送路に出力されるポートと反対側のポートと光伝送路に出力されるポートの光パワーの比が最大となるように前記変調電極バイアス電圧を制御する自動半波長電圧制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００３７】
請求項４に記載の発明は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、前記２つの光導波路の片方あるいは両方に、変調電極バイアス電圧をバイアスされたデータ信号が印加される変調電極を含んだ前記マッハツェンダ変調器と、前記変調電極にディザ信号を重畳するディザ信号重畳回路と、前記ディザ信号が重畳された変調器の出力光の一部を分岐する光分岐回路と、分岐された出力光からディザ信号成分を検出するディザ信号検出回路と、検出されたディザ信号が最小になるように前記変調電極バイアス電圧を制御する変調電極バイアス電圧制御回路とから構成される自動半波長電圧制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００３８】
請求項５に記載の発明は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、変調電極と接地電極との間にデータ信号を印加するように、前記２つの光導波路の片方の光導波路に前記変調電極を、もう一方の光導波路に前記接地電極を含み、前記２つの光導波路に共通の底面に接続された変調電極バイアス電圧印加電極を含んだシングル駆動プッシュプル構成型のマッハツェンダ変調器と、光出力パワーが最大となるように前記変調電極バイアス電圧印加電極電圧を制御する自動半波長電圧制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００３９】
請求項６に記載の発明は、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器を用いて位相変調を行い光伝送路に出力する光位相変調装置であって、変調電極と接地電極との間にデータ信号を印加するように、前記２つの光導波路の片方の光導波路に前記変調電極を、もう一方の光導波路に前記接地電極を含み、前記２つの光導波路に共通の底面に接続された変調電極バイアス電圧印加電極を含み、前記２つの光導波路のうちのいずれかまたは両方の光導波路に動作点制御回路により制御される位相差調整電極を含んだシングル駆動プッシュプル構成型のマッハツェンダ変調器と、前記変調電極バイアス電圧印加電極にディザ信号を重畳するディザ信号重畳回路と、前記ディザ信号が重畳された変調器の出力光の一部を分岐する光分岐回路と、分岐された出力光からディザ信号成分を検出するディザ信号検出回路と、検出されたディザ信号が最小になるように前記変調電極バイアス電圧印加電極電圧を制御する変調電極バイアス電圧制御回路とから構成される自動半波長電圧制御回路とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４０】
以上説明したように、本発明によれば、動作状態に適応して半導体マッハツェンダ変調器の半波長電圧Vπを制御するので、あらかじめ動作条件テーブルを作成する必要がなく、入力波長を知る必要もなく、さらに、マッハツェンダ変調器や高速データ信号の駆動回路の経時変化があっても適応して動作し、変調特性が変化しないという効果を有し、高速データ信号の駆動振幅を一定のままで変化させる必要が無いため簡易な構成の低コストの高周波駆動回路の使用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】半導体マッハツェンダ変調器を用いた従来の光強度変調装置の模式図である。
【図２】電極電圧に対するアーム間の光の位相差の関係を示す図である。
【図３】電極電圧に対する出力光強度の関係を示す図である。
【図４】高速データ信号による位相変調を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施形態である光位相変調装置のブロック図である。
【図６】出力光パワーの駆動振幅および半波長電圧依存性を示す図である。
【図７】半波長電圧Vπのバイアス電圧依存性を示す図である。
【図８】変調電極バイアス電圧と光出力パワーの関係を表す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態である光位相変調装置のブロック図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態である光位相変調装置のブロック図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態である光位相変調装置のブロック図である。
【図１２】（ａ）は、半波長電圧Vπがデータ信号振幅に等しい場合の、自動半波長電圧制御の原理を説明する図であり、（ｂ）は、半波長電圧Vπがデータ信号振幅より大きい場合の、自動半波長電圧制御の原理を説明する図であり、（ｃ）は、半波長電圧Vπがデータ信号振幅より小さい場合の、自動半波長電圧制御の原理を説明する図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態である光位相変調装置のブロック図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態である光位相変調装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【実施例１】
【００４３】
図５は本発明の第１の実施形態である光位相変調装置のブロック図である。
【００４４】
マッハツェンダ型光干渉計を構成する光導波路３の２つの光導波路の位相差が光導波路への印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器１０を用いてＢＰＳＫ変調を行う光位相変調装置であって、マッハツェンダ変調器１０の両方のアームにそれぞれに変調電極を備え、それらに差動の高速データ信号の各信号を印加して、光をＢＰＳＫ変調する構成（差動駆動プッシュプル構成あるいはデュアル駆動プッシュプル構成と呼ばれる)である。さらに、変調電極の他に別途、それぞれのアームに動作点を制御する位相差調整電極を備えている。
【００４５】
最初に、マッハツェンダ変調器１０を用いてＢＰＳＫ変調を行う構成について説明する。
【００４６】
マッハツェンダ変調器１０は、基板上に第１のアーム１と第２のアーム２とでマッハツェンダ型光干渉計を構成する光導波路３が形成され、マッハツェンダ変調器１０を構成している。マッハツェンダ変調器１０の入力端へ入力された入力光が、光導波路内で２つに分岐して、第１のアーム１を構成する光導波路および第２のアーム２を構成する光導波路を伝搬し、これらの分岐光が合波されてマッハツェンダ変調器１０の出力端から出力光として出力される。第１のアーム１を構成する光導波路には、光導波路に電圧を印加するための第１の変調電極１１−１および第１の位相差調整電極１２−１、第２のアーム２を構成する光導波路には、光導波路に電圧を印加するための第２の変調電極１１−２および第２の位相差調整電極１２−２が上面に形成されている。光導波路底面あるいは基板が接地電極と接続されており、上面電極と基板との間に電圧を印加する。それにより上面電極と基板に挟まれた光導波路に電界が印加され、電気光学効果により位相差が発生する。発生した位相差に応じてマッハツェンダ変調器１０より出力される光強度および位相が変化し、光変調動作が実現される。第１のアーム１と第２のアーム２の光導波路の構造は等しく、第１の変調電極１１−１と第２の変調電極１１−２の長さは等しく構成されていることとする。また、本マッハツェンダ変調器は発生した位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持っていることとする。
【００４７】
高速データ信号によりＢＰＳＫ変調を行うために、高速データ信号源４１から発生した高速データ信号を差動出力広帯域増幅器４２により増幅し、差動出力広帯域増幅器４２の出力の第１の高速データ出力信号は、第１のバイアスＴ回路４３−１のＲＦ端子に入力され、変調電極バイアス電圧がバイアスされて、第１のバイアスＴ回路４３−１の出力端子から出力され、マッハツェンダ変調器の第１の変調電極１１−１に印加される。差動出力広帯域増幅器４２のもう一方の逆相出力の第２の高速データ出力信号は、同様に、第２のバイアスＴ回路４３−２のＲＦ端子に入力され、第１の変調電極バイアス電圧と等しい変調電極バイアス電圧がバイアスされてマッハツェンダ変調器の第２のバイアスＴ回路４３−２の出力端子から出力され、マッハツェンダ変調器の第２の変調電極１１−２に印加される。最適な変調を行うためには、高速データ信号の振幅の和が２倍の半波長電圧Vπに等しくなる必要がある。
【００４８】
ここでは図示していないが、変調電極に印加される信号は変調器の内部で、あるいは出力端子を介して外部で終端されていることが望ましい。
【００４９】
第１の変調電極バイアス電圧と第２の変調電極バイアス電圧が等しいことに注目する必要がある。これにより後述するように第１の変調電極１１−１の半波長電圧Vπと第２の変調電極１１−２の半波長電圧Vπが等しくなる。また、第１の高速データ信号の振幅と第２の高速データ信号の振幅は等しく設定している。このように、第１、第２のデータ信号が逆相で振幅が等しく、かつ、第１の変調電極１１−１、第２の変調電極１１−２の半波長電圧Vπが等しくなるように設定しているので、半導体マッハツェンダ変調器から出力される信号波形のチャープがキャンセルされてゼロになる。ＢＰＳＫ変調を行う場合は、高速データ信号の振幅の和が半波長電圧Vπのちょうど２倍である必要があるので、上記のように設定していると、第１および第２の高速データ信号の振幅は半波長電圧Vπに等しくなる。
【００５０】
また、第１のアーム１あるいは第２のアーム２のいずれかあるいは両方の上面には干渉計の位相差を調整する第１の位相差調整電極１２−１あるいは第２の位相差調整電極１２−２が形成されている。第１の位相差調整電極１２−１、第２の位相差調整電極１２−２には、高速データ信号の駆動振幅の中心電圧において、即ち、無変調時において、光出力が最小（この点をヌル点と呼ぶ）になるように動作点が調整されるように、動作点制御回路６０により位相差調整電極電圧を印加されている。２つの光導波路に各々位相差調整電極を備える場合は、そのどちらかあるいは両方を制御する。即ち、片側の位相差調整電極は接地し、一方の位相差調整電極のみ制御する構成でも良いし、両方を制御することとすれば、各位相差調整電極の最大調整範囲は半分で済む。図５では、両方の位相差調整電極を動作点制御回路６０により制御する場合を示している。
【００５１】
以上のように構成することにより、高速データ信号によるＢＰＳＫ変調を実現する。
【００５２】
図６にＢＰＳＫ変調時の出力光パワーの駆動振幅および半波長電圧依存性を計算した図を示す。簡単化のために、立ち上がり時間、立下り時間を無視している。横軸に半波長電圧Vπに対する相対値で示した駆動振幅、縦軸に光出力パワーを示す。また、無変調時において、光出力が最小になるように動作点が調整されていることとする。図４で説明したように、ＢＰＳＫ変調を行うためには、高速データ信号の振幅を半波長電圧Vπの２倍にすることが望ましい。図６より駆動振幅が半波長電圧Vπの２倍の時にちょうど光出力パワーが最大になることがわかる。したがって、最適なＢＰＳＫ変調を行うためには、光出力パワーをモニターし、最大になるように駆動振幅あるいは半波長電圧Vπを調整すれば良い。
【００５３】
図５においては、出力光の一部が光分岐回路１４で分岐され、自動半波長電圧制御回路５０に含まれる光出力パワーモニタ用のフォトダイオードに入射され、光出力パワーを最大にするように制御できる。
【００５４】
ところで、従来例で説明したように、半導体マッハツェンダ変調器では、変調電極バイアス電圧によって、半波長電圧Vπが変化することが知られている。ここで、半波長電圧Vπが変化する原理について説明する。例えば、ＩｎＰ半導体マッハツェンダ変調器は、光導波路がＩｎＰ系の半導体光導波路により構成され、ポッケルス効果に加えて、光導波路のコア層がそのバンドギャップ波長が入力光の波長より短波長側である半導体を用いた場合はフランツケルディッシュ効果により引き起こされた屈折率変化にもとづく位相変調、あるいは、光導波路のコア層に多重量子井戸を用いた場合は量子閉じ込めシュタルク効果により引き起こされた電気光学効果による屈折率変化にもとづく位相変調を利用している。そのため、光の位相差が入力電圧に対して非線形に、近似的には印加電圧に線形な項と二乗に比例する項の和で増加する。これにより半導体マッハツェンダ変調器の半波長電圧Vπはバイアス電圧に依存し、変調用電極のバイアス電圧を制御することにより半波長電圧Vπを変化させることができる。
【００５５】
図７に半波長電圧Vπのバイアス依存性を模式的に示す。信号波長をパラメータとして図を描いている。特許文献２の図６に示したアーム間の光の位相差の特性図をもとに書き表した図である。図からわかるように、半波長電圧Vπは電圧に対して単調に減少するから、半波長電圧Vπを小さくするためには変調電極のバイアス電圧を大きくし、半波長電圧Vπを大きくするためには変調電極のバイアス電圧を小さくすればよい。半導体マッハツェンダ変調器では電圧を印加するために半導体のPN接合に対して逆バイアス電圧を印加する。光導波路を構成する半導体のPN接合の向きによって負電圧を印加することもあるが、電圧の大小について混乱を招くので、本発明の説明では電圧の絶対値を用いて、統一的に説明することにする。
【００５６】
位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つため、結果として変調電極バイアス電圧を変化させることにより半波長電圧Vπを変化させることができる。
【００５７】
図６、図７を用いて計算した、変調電極バイアス電圧と光出力パワーの関係を表す図を図８に示す。駆動振幅の和を６Ｖppdとして計算した。両アームの変調電極バイアス電圧を同じ値で同時に変化させている。この図より、光出力パワーが最大となるようにバイアス電圧を調整できることがわかる。したがって、駆動振幅を一定とし、光出力パワーをモニターし、最大になるように両アームの等しいバイアス電圧を制御することにより、最適なＢＰＳＫ変調を行うことができる。例えば、波長１５５０ｎｍにおいては、バイアス電圧５Ｖで出力光パワーが最大となり、このとき、図７からバイアス電圧５Ｖでは半波長電圧Vπが３Ｖであるから、駆動電圧が半波長電圧Vπの２倍になっていることがわかる。
【００５８】
光導波路が電圧印加による位相変化が非線形に変化する成分を含む材料で光導波路を構成していれば、半波長電圧Vπの制御が必要になり、また、逆に考えると、印加電圧を制御することにより半波長電圧Vπを最適値にすることができる点に注目する必要がある。位相変化は屈折率変化に比例するから、位相変化が非線形に変化する成分を含む材料とは、例えば、屈折率変化が印加電界の２乗に比例する成分を含む材料や、飽和により位相変化が印加電圧の平方根に比例する成分を含む材料などである。このように、電圧印加による位相変化が非線形に変化する材料では、半波長電圧Vπが電圧に依存して変化するから、バイアス電圧を制御することにより、高速データ信号振幅と半波長電圧Vπを等しくなるように制御することができる。
【００５９】
動作点制御回路について補足する。図５では、動作点の制御方法について特に図示していないが、特許文献１に示されているように、光出力パワーが最大となるように位相差調整電極の電圧を制御することにより自動動作点制御することができる。この場合は、半波長電圧制御と自動動作点制御を順次行うことにより駆動振幅制御と動作点制御を実現できる。
【００６０】
位相差調整電極について補足する。図５では、位相差調整電極は逆バイアスにバイアスし、その電圧を制御することにより干渉計の位相差を調整する方法を示しているが、非特許文献３のように位相差調整電極が電流注入により位相差を調整する場合には、電圧印加を電流注入に変え、構成および動作は同様にして実現できる。位相差調整電極を順バイアスにバイアスし、位相差調整電極に電流を注入することにより、その電流を制御し、電流注入によるプラズマ効果による屈折率変化を制御し、マッハツェンダ型光干渉計の位相差を調整する。順バイアスにバイアスし、位相差調整電極に電流を注入する場合は、変調効率が高いため、位相差調整電極の電極長を短くできるという利点がある。したがって、位相差調整電極を制御するとは、位相差調整電極を逆バイアスにして電圧を制御する場合と順バイアスにして注入電流を制御する場合の両方を含む。
【００６１】
両アームに位相差調整電極を備える場合について補足する。２つの光導波路の両方に位相差調整電極を備え、その両方を制御する場合であって、位相差調整電極は逆バイアスにバイアスし、その電圧を制御することにより干渉計の位相差を調整する場合は、第１の位相差調整電極の電圧の絶対値を小さくする方向に制御することと第２の位相差調整電極１２−２の電圧の絶対値を大きくする方向に制御することと等価である。したがって、例えば、第１の位相差調整電極１２−１の電圧の絶対値を小さくする方向に制御しているときに、０Vを超える方向に制御しなければならない場合は、第２の位相差調整電極１２−２の電圧の絶対値を大きくする方向に制御すれば良い。同様に、２つの光導波路の両方に位相差調整電極を備え、その両方を制御する場合であって、位相差調整電極は順バイアスにバイアスし、位相差調整電極に電流を注入することにより、その電流を制御し、電流注入によるプラズマ効果による屈折率変化を制御し、マッハツェンダ型光干渉計の位相差を調整する場合は、第１の位相差調整電極１２−１の電流を小さくする方向に制御することと第２の位相差調整電極１２−２の電流を大きくする方向に制御することと等価である。したがって、例えば、第１の位相差調整電極１２−１の電流を小さくする方向に制御しているときに、０mA以下の方向に制御しなければならない場合は、第２の位相差調整電極１２−２の電流を大きくする方向に制御すれば良い。
【００６２】
光出力パワーモニタ用のフォトダイオードについて補足する。フォトダイオードは図５ではマッハツェンダ変調器とは別に構成するように図示しているが、半導体基板上に一体集積しても良い。半導体基板上に一体集積する場合は、出力導波路自体が出力光の一部を吸収してフォトダイオードとしても動作する構成にすることができる。
【００６３】
マッハツェンダ型光干渉計を構成する出力側の合波器として、上記では２ｘ１の構成の３ｄＢ合波器で構成されているとして説明したが、２ｘ２の構成の３ｄＢ合波器で構成しても良い。
【実施例２】
【００６４】
図９に出力側の合波器を２ｘ２の構成の３ｄＢ合波器で構成し、光出力と反対側のポート１５のパワーをモニターする本発明の第２の実施形態である光位相変調装置の構成を示す。図９の構成図は、図５におけるマッハツェンダ変調器１０が出力側で接続される光分岐回路１４を、２ｘ２の構成の３ｄＢ合波器で構成した図である。光位相変調装置の他の各部分については説明済みのため詳細は省略する。
【００６５】
出力側の合波器を２ｘ２の構成の３ｄＢ合波器で構成した場合、光出力と反対側のポート１５のパワーが最小になるように自動半波長電圧制御回路５０において両アームの変調電極バイアス電圧を同じ値で同時に制御する。
【実施例３】
【００６６】
図１０に出力側の合波器を２ｘ２の構成の３ｄＢ合波器で構成し、光出力パワーと反対側のポート１４−２のパワーの両方をモニターする本発明の第３の実施形態である光位相変調装置の構成を示す。図１０の構成図は、図９の本発明の第２の実施形態である光位相変調装置において、２ｘ２の構成の３ｄＢ合波器の光出力パワーもモニターするように光分岐回路１４を挿入して構成した図である。光位相変調装置の他の各部分については説明済みのため詳細は省略する。
【００６７】
この構成では、光出力ポートと反対側のポートのパワーの比（＝光出力／反対ポートの光出力）が最大となるように両アームの等しい変調電極バイアス電圧を制御しても良い。
【００６８】
これまでの考察では、半導体の電界吸収の効果を無視して説明してきた。しかしながら、実際の半導体には電圧を印加すると電界吸収効果がある。電界吸収効果により、印加電圧の絶対値が大きいほど吸収の効果により変調電極の出力側の光パワーは小さくなる。印加電圧が大きいほど光出力パワーは小さくなるので、単純に光パワーの最大、最小により最適変調電極バイアスを求めると、誤差を生じる。例えば、変調時光出力パワーをモニターする場合、吸収が無ければ、２Ｖπとなる変調電極バイアス電圧で光出力が最大パワーとなるが、吸収を考慮すると、２Ｖπとなる変調電極バイアス電圧は光出力最大値よりやや大きな電圧になる。また、変調時反対ポートをモニターする場合、吸収を考慮すると、２Ｖπとなる変調電極バイアス電圧は、光レベルが最小となる変調電極バイアス電圧よりやや小さい。このずれは、吸収の効果が小さい場合はわずかであるが、吸収が大きい場合は誤差が大きくなる。
【００６９】
変調時の光出力パワーと反対ポートの出力パワーとの比をとれば、電界吸収の効果が相殺され、出力パワーとの比が最大となる変調電極バイアス電圧は２Ｖπとなる変調電極バイアス電圧に一致する。したがって、光出力と反対側のポートのパワーの比が最大となるように制御した場合、半導体の電界吸収があっても、正確に変調電極バイアス電圧を最適値に制御できる。
【実施例４】
【００７０】
図５の第１の実施形態である光位相変調装置は、具体的にはディザ信号（発振信号、微小変調信号）を用いることにより電子回路により実現できる。この構成を図１１に示す。
【００７１】
図５における自動半波長電圧制御回路５０を具体的に示したものであるので、それ以外の部分については第１の実施形態と同じ構成、動作なので構成、動作の説明は省略する。
【００７２】
まず、本発明の特徴である自動半波長電圧制御回路５０の具体的な構成について説明する。自動半波長電圧制御回路５０は高速データ信号の振幅の和が２倍の半波長電圧Vπに等しくなるように変調電極バイアス電圧を制御する回路であり、ディザ信号検出回路５１、変調電極バイアス電圧制御回路５２およびディザ信号重畳回路５３および加算回路５４より構成されている。
【００７３】
第１の変調電極１１−１、第２の変調電極１１−２にはディザ信号重畳回路５３から発生したディザ信号が、加算回路５４により変調電極バイアス電圧制御回路５２から発生した変調電極バイアス電圧に重畳され、印加されている。第１の変調電極１１−１、第２の変調電極１１−２に重畳されるディザ信号は等しい。これにより、図１２で説明する動作原理により光出力信号にディザ信号が重畳される。
【００７４】
ディザ信号が重畳された光出力信号は、マッハツェンダ変調器１０の出力端と光学的に結合された光分岐回路１４により一部を分岐され、ディザ信号検出回路５１に入力される。ディザ信号検出回路５１は光検出器５１−１（これはフォトダイオードと増幅器から構成されている）および位相比較回路５１−２（同期検波回路ともいう）（これは乗算回路とローパスフィルタから構成されている）で構成されている。光信号はディザ信号検出回路５１の光検出器５１−１に内蔵されたフォトダイオードにより検出され、内蔵された増幅器によりディザ信号が増幅される。増幅されたディザ信号は、位相比較回路５１−２に内蔵された乗算回路により、ディザ信号重畳回路５３より発生したディザ信号と乗算され、位相比較回路５１−２に内蔵されたローパスフィルタにより高周波成分を取り除かれて、両ディザ信号の位相差に対応した電圧に変換されて出力され、位相比較が実現される。その位相比較結果にもとづく位相比較回路５１−２の出力信号が最小になるように変調電極バイアス電圧制御回路５２で第１の変調電極１１−１、第２の変調電極１１−２のバイアス電圧を制御する。こうして、ディザ信号重畳回路５３、光変調器１０、光分岐回路１４、ディザ信号検出回路５１、変調電極バイアス電圧制御回路５２によるフイードバック回路を構成し、これらにより変調電極バイアス電圧制御、したがって、自動半波長電圧制御が実現されている。
【００７５】
図１２に半波長電圧Vπがバイアス依存性を示すという特徴を用いた自動変調電極バイアス電圧制御の原理を説明する図を示す。ここで、高速データ信号の中心（＝動作点）がヌル点に等しくなっていることとする。この図では説明を容易にするために、後述する実施例６のようなシングル駆動の場合を用いて説明しているが、２つの変調電極に差動の高速データ信号を印加した場合も動作原理は同じである。
【００７６】
高速データ信号がマッハツェンダ変調器に印加され、変調信号光を発生している状態で、両アームの変調電極バイアス電圧にディザ信号重畳回路５３からのディザ信号を重畳する。両アームに等しく印加される変調電極バイアス電圧が変化すると、動作点は変化せず、図７を用いて説明したように、変調電極バイアス電圧に従って、半波長電圧Vπが変化する。これにより、動作点を中心とした消光特性の横軸が伸び縮みする。これにより、マッハツェンダ変調器の光出力は変調信号にディザ信号が重畳されることになる。そこで、光出力の一部を分岐し、フォトダイオード等を用いて電気信号に変換し、ディザ信号を検出する。ここでディザ信号の変調周波数をf０とおいている。
【００７７】
図１２において、入出力特性として、ディザ信号が負への最大振幅、ゼロ、正の最大振幅の場合の３本の消光特性を模式的に示している。動作点を中心とした消光特性の横軸が伸び縮みする様子を示している。また、高速データ信号の振幅には、ディザ信号が重畳されていないことに注目したい。2Vπがデータ信号振幅に等しい場合、図１２（ａ）のように光出力信号にf０成分は生じない。2Vπがデータ信号振幅より大きい場合、図１２（ｂ）のように光出力信号にはディザ信号と同相のf０成分が生じる。逆に2Vπがデータ信号振幅より小さい場合、図１２（ｃ）のように光出力信号にはディザ信号と逆相のf０成分が生じる。したがって、ディザ信号重畳回路５３からの周波数f０のディザ信号と光出力ディザ信号を位相比較（同期検波）することにより、半波長電圧Vπのずれに応じた電圧が生じるので、その出力結果に応じて、変調電極バイアス制御回路において、同期検波出力電圧が正の場合には、両アームの等しい変調電極バイアス電圧が小さくなるように制御し、負の場合は、両アームの等しい変調電極バイアス電圧が大きくなるように制御すれば、半波長電圧Vπが最適な場合に同期検波出力がゼロになり、2Vπがデータ信号振幅に等しくなるので、そのように制御すればよい。
【００７８】
以上の動作原理から、マッハツェンダ型光干渉計を構成する光導波路３の２つの光導波路の位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器１０を用いてＢＰＳＫ変調を行う光位相変調装置において、本発明の特徴である自動半波長電圧制御回路を用いて2Vπがデータ信号振幅に等しくなるように制御することができることがわかる。
【００７９】
高速データ信号の中心（動作点）をヌル点に等しくする回路について補足する。図１１では、高速データ信号の中心（動作点）をヌル点に等しくする自動動作点制御回路６１について内部構成を図示していないが、特許文献１に示されているように、光出力パワーが最大となるように位相差調整電極の電圧を制御することにより自動動作点制御することもできる。この場合は、自動半波長電圧制御と自動駆動振幅制御を異なったディザ（発振）変調周波数を用いて同時に行うことにより、自動半波長電圧制御と動作点制御を実現できる。光分岐回路１４およびフォトダイオードの供用が可能なので部品点数とコストを削減できる。
【００８０】
あるいは半波長電圧制御と動作点制御を交互に行うことにより、自動半波長電圧制御と自動動作点制御を実現できる。さらには、同じディザ周波数を用いて自動半波長電圧制御と動作点制御を交互に行うこととすれば、ディザ周波数発生器およびディザ信号検出回路を共用でき、部品点数とコストを削減できる。
【００８１】
マッハツェンダ型光干渉計を構成する出力側の合波器として、上記では２ｘ１の構成の３ｄＢ合波器で構成されているとして説明したが、２ｘ２の構成の３ｄＢ合波器で構成しても良い。その場合は出力される側のポートの一部を分岐してディザ信号検出に用いても良いし、出力されない側（反対側）のポートの全部あるいは一部を分岐して、ディザ信号検出に用いても良い。この場合は、光出力パワーが最小となるように制御するので、変調電極バイアス制御の向きが逆になる。また、出力される側のポートで検出されるディザ信号と出力されない側（反対側）のポートで検出されるディザ信号との比をディザ信号検出に用いても良い。
【実施例５】
【００８２】
図１３に本発明の第５の実施形態である光位相変調装置のブロック図を示す。
【００８３】
マッハツェンダ型光干渉計を構成する光導波路３の２つの光導波路の位相差が光導波路への印加電圧に対して非線形に変化する特性を持つマッハツェンダ変調器１０−２を用いてＢＰＳＫ変調を行う光位相変調装置であって、マッハツェンダ変調器の２つのアームの片側のアームに変調電極１１を、もう一方のアームに接地電極１５を備え、それらの間に高速データ信号を印加して光をＢＰＳＫ変調する構成（シングルドライブプッシュプル構成)である。基板（より詳しくは光導波路に共通の底面）に電圧を印加することにより変調電極１１にバイアスを印加するために、光導波路に共通の底面あるいは基板に接続された変調電極バイアス電圧印加電極１６を備えている。さらに、変調電極１１の他に、動作点を制御する第１の位相差調整電極１２−１、第２の位相差調整電極１２−２を備えている。
【００８４】
最初に、マッハツェンダ変調器１０−２を用いてＢＰＳＫ変調を行う構成について説明する。
【００８５】
マッハツェンダ変調器１０−２は、第１のアーム１と第２のアーム２とで基板上にマッハツェンダ型光干渉計を構成する光導波路３が形成され、マッハツェンダ変調器１０−２を構成している。マッハツェンダ変調器１０−２の入力端へ入力された入力光が、光導波路内で２つに分岐して、第１のアーム１を構成する光導波路および第２のアーム２を構成する光導波路を伝搬し、これらの分岐光が合波されてマッハツェンダ変調器１０−２の出力端から出力光として出力される。第１のアーム１を構成する光導波路上面には、変調電極１１と第１の位相差調整電極１２−１が、第２のアーム２を構成する光導波路上面には、接地電極１５と第２の位相差調整電極１２−２が形成されている。基板は接地しておらず、高速データ信号は変調電極１１と接地電極１５との間に電圧を印加する。光導波路底面（基板）は、変調電極１１にバイアスを印加するための変調電極バイアス電圧印加電極１６と接続している。自動動作点制御回路５０の出力が、インダクタ４５を介して変調電極バイアス電圧印加電極１６に印加される。上面電極と基板に挟まれた光導波路に電界が印加され、電気光学効果により位相差が発生する。高速データ信号印加時には、変調電極１１と基板、接地電極１５と基板の間に逆方向で大きさの等しい電界が印加されるシングルドライブプッシュプル構成になっている。発生した位相差に応じてマッハツェンダ変調器１０−２より出力される光強度と位相が変化し、光変調動作が実現される。第１のアーム１と第２のアーム２の光導波路の構造は等しく、変調電極１１と接地電極１５の長さは等しく構成されていることとする。また、本マッハツェンダ変調器は発生した位相差が印加電圧に対して非線形に変化する特性を持っていることとする。
【００８６】
高速データ信号によりＢＰＳＫ変調を行うために、高速データ信号源４１から発生し、広帯域増幅器４２−２により一定振幅に増幅された高速データ信号が、変調電極１１と接地電極１５の間に印加される。最適な変調を行うためには、高速データ信号の振幅が２倍の半波長電圧Vπに等しくなる必要がある。ここでは図示していないが、高速データ信号は変調電極１１と接地との間で、変調器の内部で、あるいは出力端子を介して外部で終端されていることが望ましい。
【００８７】
また、第１のアーム１あるいは第２のアーム２のいずれかあるいは両方には、動作点制御回路６０により、動作点をヌル点に制御するために干渉計の位相差を調整する第１の位相差調整電極１２−１あるいは第２の位相差調整電極１２−２が形成されている。
【００８８】
以上のように構成することにより、高速データ信号によるＢＰＳＫ変調を実現する。最適なＢＰＳＫ変調を行うためには、光出力パワーをモニターし、最大になるように半波長電圧Vπを調整すれば良い。
【００８９】
図１３においては、出力光の一部が光分岐回路１４で分岐され、自動半波長電圧制御制御回路５０に含まれる光出力パワーモニタ用のフォトダイオードに入射され、光出力パワーを最大にするように、制御する。
【００９０】
実施例１で示したように、半導体マッハツェンダ変調器の半波長電圧Vπはバイアス電圧に依存し、変調用電極のバイアス電圧を制御することにより半波長電圧Vπを変化させることができる。したがって、光出力パワーを最大にするように、変調電極１１の電圧を制御することによって、2Vπがデータ信号振幅に等しくなるように制御される。
【００９１】
以上説明したように、本構成のマッハツェンダ変調器１０−２においても、2Vπがデータ信号振幅に等しくなるように自動制御することができる
【実施例６】
【００９２】
図１３の自動半波長電圧制御回路５０は具体的には、ディザ信号を用いることにより電子回路により実現できる。この構成を図１４に示す。図１４は本発明の第６の実施形態である光位相変調装置のブロック図である。
【００９３】
図１３における自動半波長電圧制御回路５０を具体的に示したものであるので、それ以外の部分については第５の実施形態と同じ構成、動作なので構成、動作の説明は省略する。
【００９４】
本発明の特徴である自動半波長電圧制御回路５０の具体的な構成について、第４の実施例と同様にして、ディザ信号を用いて半波長電圧制御が実現される。変調電極バイアス電圧印加電極１６にディザ信号重畳回路５３を用いて、ディザ信号が印加されている。これにより、ディザ信号が重畳された光出力信号は、光分岐回路１４により一部を分岐され、ディザ信号検出回路５１により検出される。検出したディザ信号が最小になるように、変調電極バイアス電圧制御回路５２で変調電極バイアス電圧１６を制御する。こうして、2Vπがデータ信号振幅に等しくなるように制御される。ディザ信号重畳回路５３、光変調器１０−２、光分岐回路１４、ディザ信号検出回路５１、変調電極バイアス電圧制御回路５２によるフイードバック回路を構成し、半波長電圧Vπの自動制御が実現されている。
【００９５】
以上説明したように、本構成のマッハツェンダ変調器１０−２においても、2Vπがデータ信号振幅に等しくなるように自動制御することができる。
【００９６】
さらに本発明は、ＢＰＳＫ変調器単体だけでなく、ＢＰＳＫ変調器を２個用いて構成したＱＰＳＫ光変調器やＢＰＳＫ変調器を４個用いて構成した１６ＱＡＭ変調器等の多値位相変調器の位相変調部に対しても、いずれの実施例の方法を用いても、同様にして自動半波長電圧制御を適用することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１  第１のアーム
２  第２のアーム
３  マッハツェンダ型光干渉計を構成する光導波路
１０，１０−２  マッハツェンダ変調器
１１  変調電極
１１−１  第１の変調電極
１１−２  第２の変調電極
１２  位相差調整電極
１２−１  第１の位相差調整電極
１２−２  第２の位相差調整電極
１４  光分岐回路
１４−２  光出力の反対側ポート
１５  接地電極
１６  変調電極バイアス電圧印加電極
２２，３１  直流電源
２３  バイアス電圧制御部
２３ａ，３２ａ  対応テーブル
３０  位相差調整電圧制御回路
３２  位相差調整電圧制御部
４１  高速データ信号源
４２  差動出力広帯域増幅器
４２−２  広帯域増幅器
４３−１  第１のバイアスＴ回路
４３−２  第２のバイアスＴ回路
４５  インダクタ
５０  自動半波長電圧制御回路
５１  ディザ信号検出回路
５１−１  光検出器
５１−２  位相比較回路
５２  変調電極バイアス電圧制御回路
５３  ディザ信号重畳回路
５４  加算回路
６０  動作点制御回路
６１  自動動作点制御回路
【図１】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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