(57)【要約】【課題】光送信機において、光主信号の品質への影響を抑えて、ＤＡＣ出力から光出力振幅までの入出力特性が線形範囲にあることを精度良く判別する。【解決手段】光送信機は、外部から入力データ信号を受け取るデジタル信号プロセッサと、光源からの光を前記入力データ信号に基づいて変調する光変調器と、前記デジタル信号プロセッサの出力をアナログ電気信号に変換するデジタル−アナログ変換器と、前記デジタル−アナログ変換器の出力を増幅して前記光変調器を駆動するドライバと、前記光変調器から出力される光出力信号を監視する監視制御部と、を有し、前記デジタル信号プロセッサは、前記入力データ信号に、前記光出力信号の偏波状態または位相を周期的または反復的に回転させる回転処理を施し、前記監視制御部は、前記光出力信号の監視結果に基づいて、前記デジタル−アナログ変換器の出力と、前記ドライバの利得の少なくとも一方を調整する。【選択図】図７
2019020601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から入力データ信号を受け取るデジタル信号プロセッサと、
光源からの光を前記入力データ信号に基づいて変調する光変調器と、
前記デジタル信号プロセッサの出力をアナログ電気信号に変換するデジタル−アナログ変換器と、
前記デジタル−アナログ変換器の出力を増幅して前記光変調器を駆動するドライバと、
前記光変調器から出力される光出力信号を監視する監視制御部と、
を有し、
前記デジタル信号プロセッサは、前記入力データ信号に、前記光出力信号の偏波状態または位相を周期的または反復的に回転させる回転処理を施し、
前記監視制御部は、前記光出力信号の監視結果に基づいて、前記デジタル−アナログ変換器の出力と、前記ドライバの利得の少なくとも一方を調整する、
ことを特徴とする光送信機。
【請求項２】
前記監視制御部は、前記光出力信号の光出力パワーを測定し、前記光出力パワーに、前記回転処理の周波数と同じ周波数の交流成分が含まれているときに、前記デジタル−アナログ変換器の出力と前記ドライバの利得の少なくとも一方を調整す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】
前記監視制御部は、平均光出力パワーが増大する方向に変動した場合に、前記デジタル−アナログ変換器の出力を下げ、及び／または前記ドライバの利得を小さくすることを特徴とする請求項２に記載の光送信機。
【請求項４】
前記監視制御部は、平均光出力パワーが減少する方向に変動した場合に、前記デジタル−アナログ変換器の出力を下げ、及び／または前記ドライバの利得を小さくすることを特徴とする請求項２に記載の光送信機。
【請求項５】
前記監視制御部は、前記光出力パワーに前記交流成分が含まれているときに、前記デジタル−アナログ変換器の出力から前記光変調器の出力振幅までの入出力特性が非線形の範囲に入ったと判断し、前記ドライバの利得を小さくする制御を行い、その後、前記デジタル−アナログ変換器の出力と前記ドライバの利得をさらに調整することを特徴とする請求項２に記載の光送信機。
【請求項６】
前記監視制御部は、前記ドライバの利得を小さくした後に平均光出力パワーの変動量が小さくなった場合に、前記ドライバの利得をパワー変動がなくなるまで小さく調整し、その後、デジタル−アナログ変換器の出力を前記パワー変動が生じない最大レベルに増大することを特徴とする請求項５に記載の光送信機。
【請求項７】
前記監視制御部は、前記ドライバの利得を小さくした後に平均光出力パワーの変動量が小さくならない場合に、パワー変動がなくなるまで前記デジタル−アナログ変換器の出力を小さくし、その後、前記ドライバの利得を前記パワー変動が生じない最大値に増大することを特徴とする請求項５に記載の光送信機。
【請求項８】
前記監視制御部は、前記光出力パワーに前記交流成分が含まれていないときに、前記デジタル−アナログ変換器の出力を前記ドライバの入出力特性の最大線形範囲まで増大し、前記ドライバの利得を、前記光変調器の入出力特性の最大線形範囲まで増大することを特徴とする請求項２に記載の光送信機。
【請求項９】
光送信機のデジタル信号プロセッサで、入力される電気信号に、光出力信号の偏波状態または位相を周期的または反復的に回転させる回転処理を施し、
前記回転処理が施された電気信号をデジタル−アナログ変換器でアナログ変換し、
前記アナログ変換された信号をドライバで増幅して光変調器を駆動し、
前記光変調器から出力される前記光出力信号を監視し、
前記光出力信号の監視結果に基づいて、前記デジタル−アナログ変換器の出力と、前記ドライバの利得の少なくとも一方を調整する
ことを特徴とする光送信機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信機と、光送信機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の送信フロントエンドでは、入力データ信号で連続光を変調することで、電気信号を光信号に変換して送信する。高速の長距離光伝送では、チャーピングの問題を回避するために、一般的に外部変調方式が用いられている。外部変調方式の光送信装置で、デジタル信号処理を利用して、光変調器で生成される光信号の品質を改善する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
送信側で複数の振幅レベルの光信号を生成する多値変調方式では、アナログ変換された電気信号を線形に増幅して光変調を行う。ＤＡＣの出力と光変調器の出力特性は、図１に示すように、ある範囲以内で線形の特性をもつ。ＤＡＣの出力はドライバの入力に接続され、ドライバによって増幅された駆動信号が光変調器に入力されるので、図１の線形性はＤＡＣ出力から光出力振幅までのアナログ部分全体の入出力特性に当てはまる。便宜上、線形性よりも低い光出力となる領域を「飽和型非線形範囲」と呼び、線形性を超える光出力となる領域を「超線形範囲」と呼ぶ
歪みの少ない光信号を出力するために、光送信器は入出力特性が線形の範囲で使用される。ＤＡＣ出力に対する光出力特性の線形性は、ドライバと光変調器の性能に依存し、また、ドライバの利得設定値にも依存する。一般的には、運用前にドライバの利得を最適化して、ＤＡＣ出力から光変調器の出力振幅までの入出力特性の線形範囲を確認する。
【０００４】
ＤＡＣの出力とドライバの利得は、経年劣化により減少する。また、温度変化や電源電圧変動で入出力特性が変わり得る。運用中は、マージンを残して線形の範囲内で光送信器を使用する。ＤＡＣ出力またはドライバ利得が小さくなると、光信号の出力パワーが小さくなり、光主信号の雑音耐性が悪くなる。そのため、運用中でもドライバ利得及び／またはＤＡＣ出力を最適な状態に再調整できる構成が望まれる。
【０００５】
線形な電気光変換を実現し、ＩチャネルとＱチャネルの信号レベルの差異を抑制するために、変調器の駆動振幅に低周波信号成分を重畳し、光信号をモニタしてＩチャネル駆動信号の振幅とＱチャネル駆動信号の振幅がそれぞれ最適な駆動振幅となるように調整する構成が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１２９６０６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３２５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図２（Ａ）に示すように、変調器の駆動信号の振幅に低周波信号成分（「振幅ディザ」と呼ぶ）を重畳する方法は、駆動波形の包絡線を振幅変調するため、光出力信号の品質に影響を与える。また、変調器出力が線形範囲にある場合も、非線形範囲（電圧対光出力特性カーブの山または谷に近い領域）に入った場合も、変調器の出力から同じディザ成分が検出されるため、区別する手段が必要になる。さらに、図２（Ｂ）に示すように、重畳される基準ディザ成分（ＤＲ）と、検出される測定ディザ成分（ＤＭ）の両方に誤差が含まれる場合、判別エラーは２倍になる。
【０００８】
本発明は、光主信号の品質への影響を抑えて、ＤＡＣ出力から光出力振幅までの入出力特性が線形範囲にあることを精度良く判別することのできる光送信機とその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの側面において、光送信機は、
外部から入力データ信号を受け取るデジタル信号プロセッサと、
光源からの光を前記入力データ信号に基づいて変調する光変調器と、
前記デジタル信号プロセッサの出力をアナログ電気信号に変換するデジタル−アナログ変換器と、
前記デジタル−アナログ変換器の出力を増幅して前記光変調器を駆動するドライバと、
前記光変調器から出力される光出力信号を監視する監視制御部と、
を有し、
前記デジタル信号プロセッサは、前記入力データ信号に、前記光出力信号の偏波状態または位相を周期的または反復的に回転させる回転処理を施し、
前記監視制御部は、前記光出力信号の監視結果に基づいて、前記デジタル−アナログ変換器の出力と、前記ドライバの利得の少なくとも一方を調整する。
【発明の効果】
【００１０】
光送信技術で、光主信号の品質への影響を抑えて、ＤＡＣ出力から光出力振幅までの入出力特性が線形範囲にあることを精度良く判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】線形範囲内での光送信機の使用を示す図である。
【図２】振幅ディザを重畳する方式の問題点を説明する図である。
【図３】実施形態の偏波または位相の回転制御による線形性の判断を説明する図である。
【図４】実施形態の偏波または位相の回転制御による線形性の判断を説明する図である。
【図５】回転ディザの波形の例を示す図である。
【図６】偏波回転と位相回転を説明する図である。
【図７】実施形態の光送信機の概略図である。
【図８】光送信機のアナログ部分の入出力特性を示す図である。
【図９】偏波回転制御を説明する図である。
【図１０】偏波回転制御を説明する図である。
【図１１】Ｘ偏波とＹ偏波の主信号のパターンデータを示す図である。
【図１２】偏波の回転角度と各光変調器の出力パワーの関係を示す図である。
【図１３】回転角度によって二値化されるＤＡＣ出力値を示す図である。
【図１４】位相回転制御を説明する図である。
【図１５】位相回転制御を説明する図である。
【図１６】位相回転角度と各光変調器の出力パワーの関係を示す図である。
【図１７】図７の光送信機の変形例を示す図である。
【図１８】監視制御部の構成例を示す図である。
【図１９】光送信機の制御動作のフローチャートである。
【図２０】ＤＡＣ出力とドライバ出力の最適化のフローチャートである。
【図２１】ＤＡＣ出力とドライバ出力の最適化の別の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施形態では、デジタル信号処理の段階で、光出力信号の偏波状態または位相に周期的な回転を与える処理を行う。光信号に監視用の信号を重畳する従来の方法（たとえば光変調器の駆動振幅やバイアス電圧を強度変調する方法）は、光主信号の品質に影響を与えるが、実施形態の方法は、光主信号だけを送信して光出力パワーの変動の有無を監視する。これにより、光出力信号の品質への影響を抑え、ＤＡＣ出力から光出力振幅までのアナログ部分での入出力特性が線形範囲にあることを適切かつ簡単に確認することができる。
【００１３】
図３と図４は、実施形態の偏波または位相の回転制御を用いた線形性判断の原理を説明する図である。光変調器の光出力信号の偏波状態または位相を、周期的または反復的に回転させて、光出力パワーをモニタする。光出力信号の偏波状態または位相に与えられる周期的または反復的な回転を、便宜上、「回転ディザ」と呼ぶ。図３は回転前の状態を示し、図４は回転後の状態を示す。図３と図４では、説明を簡単にするためにＤＡＣの出力値がひとつの場合を例示するが、回転ディザによる線形性の制御は多値変調にも適用可能である。光出力信号の位相または偏波状態の回転は、ＤＳＰ（Digital  Signal  Processor：デジタル信号プロセッサ）で設定される。
【００１４】
図３で、位相または偏波に回転ディザが与えられていない場合、ある論理値の入力に対してＤＡＣから出力される信号（電界）は一つである。光変調器から出力される光信号の振幅（強度）も一定である。
【００１５】
図４で、偏波または位相に回転が与えられると、ＤＡＣの出力値は、回転前の電界強度Ｅよりも大きい電界Ｅ１と小さい電界Ｅ２に二値化され、Ｅ１2＋Ｅ２2＝２Ｅ2の関係が成り立つ。
【００１６】
ＤＡＣ出力から光変調器の出力振幅までの入出力特性が線形の範囲内にある場合は、光出力の振幅は左側の図のように、回転がないときの振幅Ｉよりも大きい振幅Ｉ１と、小さい振幅Ｉ２の間で振動する。このとき、Ｉ１2＋Ｉ２2＝２Ｉ2の関係が成り立ち、平均光出力パワーは回転前と同じである。
【００１７】
この回転制御下で、ＤＡＣ出力から光変調器の出力振幅までの入出力特性が線形性から低下した場合（図１の飽和型非線形範囲にある場合）、光出力の振幅は下段中央の図のようにＩ１とＩ２の間で変化し、Ｉ１2＋Ｉ２2＜２Ｉ2となる。光変調器の平均光出力パワーは、回転前よりも小さくなる。
【００１８】
ＤＡＣ出力から光変調器の出力振幅までの入出力特性が線形性を超える場合（図１の超線形範囲にある場合）、光出力の振幅は右側の図のようにＩ１とＩ２の間で変化し、Ｉ１2＋Ｉ２2＞２Ｉ2となる。光変調器の平均光出力パワーは、回転前よりも大きくなる。
【００１９】
光出力信号の位相または偏波状態に周期的または反復的な回転を与えることで、光変調器の平均光出力パワーの変化をモニタするだけで、アナログ部分での入出力特性が線形範囲にあるか否かを適切に判別することができる。光変調器の駆動信号に低周波の監視用の信号を重畳する場合と異なり、光出力信号の品質への影響を抑制することができる。光出力パワーが回転ディザの周期で変動して非線形領域に入ったことが検出されたときはＤＡＣ出力、及び／またはドライバ利得を下げることで、アナログ部分の入出力特性を線形範囲内に維持することができる。また、光出力パワーに回転ディザの成分が含まれていなくても、ＤＡＣ出力、及び／またはドライバ利得を最大線形範囲に調整することで、経年劣化、温度変化、電源電圧変動などの影響を抑えることができる。
【００２０】
図５は、回転ディザの波形の例を示す図である。横軸は時間、縦軸は回転角度である。図５の上側の図は、回転ディザとして正弦波を用いる例を示す。図５の下側の図は、回転ディザとして矩形パルスを用いる例を示す。θは光出力信号の偏波状態に与えられる周期的または反復的な回転の回転角度、φは光出力信号の位相に与えられる周期的または反復的な回転の回転角度である。偏波状態の回転を利用した線形性の制御は、ＤＰＱＰＳＫ（Dual  Polarization  Quadrature  Phase  Shift  Keying）のような偏波多重変調方式に利用可能である。位相の回転を利用した線形性の制御は、片偏波変調方式にも利用可能である。
【００２１】
図４を参照して説明したように、ＤＡＣ出力から光変調器の出力振幅までの入出力特性が非線形範囲に入った場合、光変調器の出力光に、回転ディザの回転速度と同じ周波数成分のパワー変動が観察される。したがって、光変調器の平均光出力パワーのＡＣ（交流）成分を監視することで、ＤＡＣ出力から光変調器の出力振幅までの入出力特性が線形範囲にあるか否かを確認し、光伝送への非線形の影響を抑えることができる。
【００２２】
位相または偏波状態の周期的な回転速度はＤＳＰで設定され、光主信号への影響が最小になるような回転速度に設定可能である。
【００２３】
図６は、偏波状態の回転と位相の回転を示す図である。左側の図は、ポアンカレ球上の偏波状態を示す。ポアンカレ球上（または単位半径上）の各点は、一意の偏波状態を表わす。赤道上は直線偏波を表わす。北極と南極は、円偏波を表わす。北半球は右回りの楕円偏波の状態を表わし、南半球は左回りの楕円偏波の状態を表わす。
【００２４】
図中、IXは回転制御を受けていないＸ偏波チャネルの主信号であり、IIXは偏波回転角θで回転された後のＸ偏波の状態である。IYは回転制御を受けていないＹ偏波チャネルの主信号であり、IIYは回転角θで回転された後のＹ偏波の状態である。偏波状態に角度θの回転ディザが与えられても、ＤＡＣ出力から光変調器の出力振幅までの入出力特性が線形範囲にある場合は、モニタされる平均光出力パワーに回転周期に相当する変動成分は現れない。モニタされる光出力パワーに回転周期と同じ交流（ＡＣ）成分が検出されるときは、入出力特性が非線形範囲に入ったことを意味する。平均光出力パワーが変動する方向によって、超線形範囲に入ったのか、飽和型非線形範囲に入ったのかを判断することができるが、いずれの場合も、ＡＣ成分が現れなくなるまでＤＡＣ出力、及び／またはドライバ利得を小さくする。
【００２５】
図６の右側の図は、回転ディザが与えられたときのＩ−Ｑ平面上のコンステレーションを示す。Ｉ−Ｑ平面上の信号点に割り当てられた各シンボルの位相は、角度φで周期的に回転する。光出力信号の位相に角度φの周期的または反復的な回転が与えられていても、ＤＡＣ出力から光変調器の出力振幅までの入出力特性が線形範囲内にある限り、モニタされる平均光出力パワーに回転周期に相当する変動成分は現れない。モニタされる平均光出力パワーに回転周期と同じＡＣ成分が検出される場合は、入出力特性が非線形範囲に入ったことを意味し、ＤＡＣ出力、及び／またはドライバ利得を小さくする制御が行われる。
【００２６】
図７は、実施形態の光送信機１００の概略図である。光送信機１００は、たとえば偏波多重変調方式の光通信に適用される。光送信機１００は、ＤＳＰ３０、ＤＡＣ３１、ドライバ３２、光源３３、変調部１０、及び監視制御部２０を有する。ＤＳＰ３０は、回転ディザ制御部３０１を有する。
【００２７】
光源３３は、たとえばレーザダイオード（ＬＤ）であり、連続光を出力する。光源３３から出力された光は、３ｄＢカプラ等の分岐部３４により分岐されて変調部１０に入力される。
【００２８】
変調部１０は、ＸチャネルのＩ（In-phase：同相）ブランチの光変調器１と、ＸチャネルのＱ（Quadrature：直交位相）ブランチの光変調器２と、ＹチャネルのＩブランチの光変調器３と、ＹチャネルのＱブランチの光変調器４を有する。光変調器１〜４の各々は、たとえば一対の光導波路で形成されるマッハツェンダ（ＭＺ）干渉計型の変調器であってもよい。
【００２９】
Ｘチャネルの光は、光導波路１１IXと光導波路１１QXにより２つに分岐されて、光変調器１と光変調器２に入力される。Ｙ偏波は、光導波路１１IYと光導波路１１QYにより２つに分岐されて、光変調器３と光変調器４に入力される。
【００３０】
一方、電気信号である送信用のデータＥＸとＥＹがＤＳＰ３０に入力される。データＥＸとＥＹは、式（１）で表される。
【００３１】
ＥＸ=ＥX_I＋ｉＥX_Q
ＥＹ=ＥY_I＋ｉＥY_Q                                           （１）
ＤＳＰ３０に入力されたデータＥＸとＥＹはＩ−Ｑ平面にマッピングされ、Ｉ成分とＱ成分のそれぞれで予等化等の処理を受けて、回転ディザ制御部３０１に入力される。
【００３２】
回転ディザ制御部３０１は、各信号成分に、光出力信号の偏波状態を周期的または反復的に回転させる偏波回転、または位相を周期的または反復的に回転させる位相回転を与える処理を行う。回転ディザ制御部３０１の出力信号は、ＤＡＣ３１に入力される。
【００３３】
ＤＡＣ３１は、回転制御を受けた各信号成分をアナログ信号に変換し、アナログ信号をドライバ３２の対応する増幅器３２１、３２２、３２３、３２４に供給する。ＤＡＣ３１から出力される電気信号は、図４に示したように、回転ディザの振幅と回転速度に従って二値化されている。
【００３４】
増幅器３２１は、入力されたアナログ信号を増幅して、光変調器１の駆動信号EEX_Iを生成し、出力する。増幅器３２２は、入力されたアナログ信号を増幅して、光変調器２の駆動信号EEX_Qを生成し、出力する。増幅器３２３は、入力されたアナログ信号を増幅して、光変調器３の駆動信号EEY_Iを生成し、出力する。増幅器３２４は、入力されたアナログ信号を増幅して、光変調器４の駆動信号EEY_Qを生成し、出力する。
【００３５】
光変調器１は、光導波路１１IXを伝搬するＸ偏波を駆動信号EEX_Iで変調して、出力する。光変調器２は、光導波路１１QXを伝搬するＸ偏波を駆動信号EEX_Qで変調して、出力する。光変調器３は、光導波路１１IYを伝搬するＹ偏波を駆動信号EEY_Iで変調して、出力する。光変調器４は、光導波路１１QYを伝搬するＹ偏波を駆動信号EEY_Qで変調して、出力する。
【００３６】
光変調器１の出力光と光変調器２の出力光は合波され、ローテータ１３でＹチャネルの光波と直交するように偏波回転を受ける。ローテータ１３の出力は、偏波回転ディザを含むＸ偏波信号であり、|IIX|2と表される。光変調器３と光変調器４の出力光の合波は、偏波回転ディザを含むＹ偏波信号であり、|IIY|2と表される。Ｘ偏波信号|IIX|2と、Ｙ偏波信号|IIY|2は、偏波ビームコンバイナ（ＰＢＣ）１５で合波され、変調光信号として出力される。
【００３７】
監視制御部２０は、変調光信号の一部を分岐して、平均光出力パワーをモニタする。監視制御部２０は、受光素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）２１、フィルタ２２、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）２３、パワー測定器２４、及び制御処理回路２５を有する。
【００３８】
ＰＤ２１は、変調光信号の一部を受光して、入射光に応じた光電流を出力する。フィルタ２２は、たとえばコンデンサであり、光電流の直流成分を除去する。ＴＩＡ２３は、光電流のＡＣ（交流）成分を増幅して電圧信号に変換する。パワー測定器２４は、電圧信号の平均パワーを測定する。制御処理回路２５は、平均パワーの測定結果に基づいて、ＤＡＣ３１の出力、及び／又はドライバ３２の利得を調整する。これによって、ＤＡＣ３１の出力から変調部１０の光出力振幅までの入出力特性を線形の範囲内に維持する。
【００３９】
たとえば、モニタされた光出力パワーが回転ディザと同じ周波数で変動するときは、ＤＡＣ出力が線形範囲を超えて非線形範囲に入ったことを示し、ＤＡＣ出力とドライバ利得の少なくとも一方を小さくする方向に制御する。光出力パワーに回転ディザと同じ周波数の変動（ＡＣ）成分が含まれていなくても、経年劣化等でＤＡＣ出力及び／またはドライバ利得自体が小さくなる場合がある。その場合は、ＡＣ成分が現れない範囲で最大のＤＡＣ出力に制御することが望ましい。
【００４０】
図８は、光送信機１００の入出力特性を示す図である。図８（Ａ）は、ＤＡＣ３１の出力（Ｅ）と、ドライバ３２の出力（ｆ（Ｅ））の関係を示す。より正確には、ＤＡＣ３１のひとつのレーンの出力と、ドライバ３２の対応する増幅器の出力の関係である。ＤＡＣ３１の出力を増大させても、ＤＡＣ出力は一定値を超えると、ドライバ出力は飽和して線形性が維持されなくなる。したがって、ＤＡＣ３１の各出力は、ドライバ３２の対応する出力の線形性が最大限となる出力値に制御されるのが望ましい。
【００４１】
図８（Ｂ）は、ドライバ３２の出力（ｆ（Ｅ））と、光出力振幅（Ｅ）の関係を示す。光出力振幅は、ドライバ出力の原点を中心とする一定の範囲内で線形性が維持される。ドライバ出力が高くなりすぎると、光出力振幅が非線形の範囲にはいって光信号波形に歪が生じる。したがって、ドライバ３２の各増幅器３２１〜３２４の利得は、対応する光変調器１〜４の光出力振幅が線形範囲の最大値となる利得に設定されているのが望ましい。
【００４２】
図８（Ｃ）は、ドライバ３２の出力と光出力パワー（|I|2）の関係を示す。光出力パワーは振幅の二乗に比例する。ドライバ３２の出力を最適化することで、光出力パワーを線形範囲での最大パワーにすることができる。
【００４３】
図７の構成により、監視信号を光信号に重畳する方法と異なり、光出力信号の品質への影響を抑え、簡単な構成で精度良くＤＡＣ出力から光変調器の出力振幅までの入出力特性の線形性を維持することができる。
【００４４】
＜偏波回転制御＞
図９と図１０は、ＤＡＣ３１の出力から変調部１０の出力振幅まで（アナログ部分）の入出力特性の線形性を維持する偏波回転制御を説明する図である。Ｘ偏波チャネルの光主信号をIX、Ｙ偏波チャネルの光主信号をIYとする。回転ディザが与えられない状態では、Ｘ偏波チャネルの変調器出力IIXと、Ｙ偏波チャネルの変調器出力IIYは、それぞれ主信号IX、IYと同じである。
【００４５】
ＤＳＰ３０の制御により、偏波状態に角度θの反復回転が設定されると、図９のポアンカレ球上で、Ｘ偏波チャネルの変調器出力IIXは、Ｘ偏波チャネルの光主信号IXの偏波状態から２θ回転する。同様に、Ｙ偏波チャネルの変調器出力IIYは、Ｙ偏波チャネルの光主信号IYの偏波状態から２θ回転する。Ｘ偏波とＹ偏波は、実際には偏光の向きが９０°異なるが、ポアンカレ球上ではπラジアンの差として表現されるからである。
【００４６】
回転角θでの偏波状態の回転は、図１０に示すデジタル信号処理で実現できる。図１０において、回転前のＸ偏波及びＹ偏波の光主信号IX、IYと、回転後の（光変調器から出力される）Ｘ偏波とＹ偏波の光出力信号IIX、IIYの関係は、式（２）で表される。
【００４７】
【数１】
2019020601.tif 000003
式（２）から、式（３）が導かれる。
【００４８】
IX=cos(ψx)+isin(ψx)=IX_1+iIX_Q
IY=cos(ψy)+isin(ψy)=IY_1+iIY_Q              （３）
式（３）から、IY=IX*exp(ψ)となる。ここで、ψはＹ偏波とＸ偏波の間の位相差である。ＱＰＳＫ信号の場合、ψ=ψy−ψx=n×π/2（n=0,  1,  2,  3）である。
【００４９】
EX、EY、EEX、EEYをそれぞれ、IX、IY、IIX、IIYの電気信号とする。ＤＳＰ３０の回転ディザ制御部３０１で、
【００５０】
【数２】
2019020601.tif 000004
の処理を行うことで、回転角θで偏波状態を回転させることができる。
【００５１】
図１１は、Ｘ偏波とＹ偏波の主信号のパターンデータを示す。ここでは、ＱＰＳＫ変調方式を例にとる。Ｘ偏波とＹ偏波のそれぞれで、４つのシンボルがＩ−Ｑ平面上にマッピングされる。各信号点の位相は、反時計回りにπ／４、３π／４、５π／４、７π／４である。図中のカッコ内に示すように、時計回りの位相で表現されてもよい。
【００５２】
図１２は、偏波状態の回転角度と各光変調器の出力パワーの関係を示す。Ｘ偏波とＹ偏の位相差ψはデータパターンで決まる。光変調器１〜４の出力パワーは、Ｘ偏波チャネルの主信号のパターンデータとＹ偏波チャネルの主信号のパターンデータ、すなわち偏波間の位相差ψによって変わる。しかし、平均出力パワーは回転角度によって変わらない。
【００５３】
光変調器１では、偏波間の位相差ψがπ／２とπのときに、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが増大する。偏波間の位相差ψが０（ゼロ）と３π／２のときは、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが減少する。しかし、平均パワーは線形領域で動作する限り、偏波回転角度にかかわらず一定である。
【００５４】
光変調器２では、偏波間の位相差ψがπと３π／２のときに、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが増大する。偏波間の位相差ψがゼロとπ／２のときは、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが減少する。しかし、平均パワーは偏波回転角が変化しても変わらない。
【００５５】
光変調器３では、偏波間の位相差ψがゼロと３π／２のときに、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが増大する。偏波間の位相差ψがπ／２とπのときは、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが減少する。しかし、平均パワーは偏波回転角が変化しても変わらない。
【００５６】
光変調器４では、偏波間の位相差ψがゼロとπ／２のときに、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが増大する。偏波間の位相差ψがπと３π／２のときは、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが減少する。しかし、平均光出力パワーは偏波回転角が変化しても変わらない。
【００５７】
光送信機１００のアナログ部分の入出力特性の線形性を、周期的な偏波回転を利用して制御するときに、線形性が維持される適切な回転角が選択される。
【００５８】
図１３は、回転角度によって二値化されるＤＡＣ出力値を示す図である。図１３の左上は、光変調器１用のＤＡＣ出力の回転角依存性、右上は光変調器２用のＤＡＣ出力の回転角依存性、左下は変調器３用のＤＡＣ出力の回転角依存性、右下は光変調器４用のＤＡＣ出力の回転角依存性である。ＤＳＰ３０である回転角度が設定されると、Ｘ偏波チャネルの主信号のパターンデータとＹ偏波チャネルの主信号のパターンデータの間の位相差ψが変わる。同じ回転角度であっても、位相差ψによってＤＡＣ出力が変わる。
【００５９】
しかし、位相差ψが変わっても、ＤＡＣ３１の出力は回転がないときの出力レベルＥを中心としてＥ１とＥ２に二値化され、Ｅ12＋Ｅ22＝Ｅ2の関係が成立する（図４参照）。したがって、ＤＳＰ３０で設定される周期的な偏波回転を利用し、平均光出力パワーをモニタしてアナログ部分の入出力特性の線形性を判断する手法を、有効に用いることができる。
【００６０】
＜位相回転制御＞
図１４と図１５は、光送信機１００のアナログ部分の入出力特性の線形性を判断する際の位相回転制御を説明する図である。図１４で、ＤＳＰ３０の回転ディザ制御部３０１により、入力電気信号に角度φの位相回転が設定されると、偏波回転制御と同様に、ＤＡＣ３１の出力が二値化される。二値化され出力範囲が拡張されたアナログ信号は、ドライバ３２の各増幅器３２１〜３２４で増幅され、駆動信号EEX_I、EEX_Q、EEY_I、EEY_Qが光変調器１〜４に入力される。
【００６１】
位相回転が与えられないときは、図１５の左図に示すように、各シンボルはＩ−Ｑ平面の信号点に割り当てられる。ＱＰＳＫの場合、４つのシンボルの位相はψ1、ψ2、ψ3、ψ4である。角度φの位相回転を受けると、図１５の右図のように、各シンボルの位相が回転して変調部１０の光出力の振幅が変化する。しかし、光送信機１００のアナログ部分の入出力特性を線形範囲に抑える限りＩ12＋Ｉ22＝２Ｉ2の関係が成立し、平均光出力パワーは変わらない。
【００６２】
図１４に戻って、回転前のＸ偏波チャネルとＹ偏波チャネルの光主信号IX、IYと、位相回転後の変調器出力IIX、IIYの関係は、式（５）で表される。
【００６３】
【数３】
2019020601.tif 000005
ここで、φは位相回転角である。Ｘ偏波の位相をψx、Ｙ偏波の位相をψyとすると、回転前の光主信号IX、IYと、位相回転後の変調器出力IIX、IIYはそれぞれ式（６）で表される。
【００６４】
【数４】
2019020601.tif 000006
ＤＳＰ３０の回転ディザ制御部３０１で、入力データ信号ＥＸとＥＹに同様の処理をすることで、Ｉブランチの光変調器１、３とＱブランチの光変調器２、４の光出力の振幅値が二値化される。
【００６５】
図１６は、位相回転角度と各光変調器の光出力パワーの関係を示す。光変調器１〜４の光出力パワーは各信号点の位相ψnによって変わるが、線形領域にある限り、平均光出力パワーは位相回転角度によって変わらない。
【００６６】
光変調器１と光変調器３では、シンボルの位相がψ1とψ3のときに、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが増大する。シンボルの位相がψ2とψ4のときは、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが減少する。しかし、平均光出力パワーは線形領域内では一定である。
【００６７】
光変調器２と光変調器４では、シンボルの位相がψ2とψ4のときに、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが増大する。シンボルの位相がψ1とψ3のときは、偏波回転角度が大きくなると光出力パワーが減少する。しかし、平均光出力パワーは線形領域内では一定である。
【００６８】
光送信機１００のアナログ部分の入出力特性の線形性を周期的な位相回転を用いて制御するときに、適切な範囲で回転角φを選択することで、平均光出力パワーをモニタして線形性を正しく判断することができる。
【００６９】
図１７は、図７の光送信機１００の変形例として、光送信機１００Ａを示す。図７の光送信機１００と同じ構成要素には同じ符号を付けて重複する説明を省略する。光送信機１００Ａでは、合波前に４つの光変調器１〜４の各々の光出力が分岐されて、監視制御部２０に入力される。監視制御部２０は、図７の監視制御部２０と同じ構成を用いて光変調器１〜４の光出力に対して時分割で監視制御を行ってもよいし、光変調器１〜４の各々に対応して４つの監視制御部２０を設けてもよい。
【００７０】
監視制御部２０は、モニタ結果に基づいて、ＤＡＣ３１の４レーンの出力と、ドライバ３２の増幅器３２１〜３２４の利得を個別に制御する。光変調器１〜４の各々の光出力パワーを監視することで、制御精度が向上する。図７の構成と同様に、光出力信号の周期的な偏波回転または位相回転は、ＤＳＰ３０で実現できる。光変調器１〜４の駆動振幅を低周波で変調しなくても、光送信機１００Ａのアナログ部分の入出力特性の線形性を維持、制御することができる。
【００７１】
図１８は、光送信機１００または光送信機１００Ａの監視制御部２０の構成例を示す。図１８では、直流を除去するフィルタ２２と、電流電圧変換するＴＩＡ２３が省略されているが、フィルタ２２とＴＩＡ２３は公知の回路構成を用いることができる。
【００７２】
パワー測定器２４は、平均化フィルタ２３１と減算器２３２を有する。平均化フィルタ２３１は、偏波状態または位相の回転変動に伴う光出力パワー変動の平均を時間Ｔにわたって算出する。減算器２３２は、光出力パワーの平均と、平均されていない光出力パワーｘ（ｔ）の差分を求める。光送信機１００（または１００Ａ）のアナログ部分での入出力特性の線形範囲にある場合は、時間Ｔにわたって平均化された光出力パワーとの差分がなくなる。入出力特性の非線形領域に入ると、出力波形が歪み、平均光出パワーとの間に差異が生じる。
【００７３】
パワー測定器２４の出力は、制御処理回路２５の入力に接続される。制御処理回路２５は、変動算出部２５１と、判定回路２５２と、制御信号生成器２５３を有する。変動算出部２５１は、減算器２３２の出力に基づいて変動量を算出し、算出結果を判定回路２５２に出力する。判定回路２５２は、変動量が閾値（許容誤差、許容変動）を超えるか否かを判断し、判定結果を制御信号生成器２５３に出力する。この判定結果には、回転後の光出力パワーが回転前のパワーよりも大きくなるか、小さくなるかの判断が含まれていてもよい。変動方向の増大は、図４の超線形範囲にある場合を示し、変動方向の現象は、図４の飽和側非線形範囲にある場合を示す。光出力パワーが増大しても減少しても非線形範囲に入り、ＤＡＣ出力及び／またはドライバ利得を下げる。制御信号生成器２５３は、変動量が生じている場合に光送信機１００（または１００Ａ）のアナログ部分の入出力特性を線形範囲に戻すために、ＤＡＣ出力及び／又はドライバ利得を下げる制御信号を生成し、出力する。制御信号は、ＤＡＣ３１とドライバ３２に供給される。
【００７４】
図１９は、光送信機１００（または１００Ａ）の制御動作のフローチャートである。ＤＳＰ３０で、入力電気信号に対して偏波回転角θまたは位相回転角φを設定する制御処理を行う（Ｓ１１）。偏波または位相の回転角度と回転速度は、主光信号への影響が最小となるように設定される。
【００７５】
監視制御部２０は、光出力パワーの変動を監視して、光送信機１００（または１００Ａ）のアナログ部分（ＤＡＣ出力から光出力振幅まで）の入出力特性が非線形範囲に入ったか否かを判断する（Ｓ１２）。入出力特性が非線形範囲に入った場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、ドライバ３２の利得とＤＡＣ３１の出力の少なくとも一方を最適化して入出力特性を調整する（Ｓ１３）。入出力特性が線形範囲にある場合は（Ｓ１２でＮＯ）、運用中である限り（Ｓ１４でＮＯ）、Ｓ１２〜Ｓ１４を繰り返す。
【００７６】
図２０は、ＤＡＣ３１の出力とドライバ３２の利得を最適化する処理フローである。光送信機１００のアナログ部分の入出力特性が線形範囲にある場合でも、ＤＡＣ３１の出力とドライバ３２の利得を調整可能とする。たとえば、経年劣化によりＤＡＣ３１の出力とドライバ３２の利得が小さくなる場合、アナログ部分の入出力特性の線形範囲にあっても線形の範囲が狭くなる。この場合、ＤＡＣ出力とドライバ利得を再調整して最適化することで、線形範囲の最大限を利用できる。この処理は、１か月に一度、半年に一度など、定期的、あるいは不定期に行われてもよい。
【００７７】
まず、ＤＡＣ３１の出力を、ドライバ３２の入出力特性の最大線形範囲まで徐々に拡大する（Ｓ２１）。ドライバ３２の入出力特性が線形範囲内にあるか否かは、図１８に示す監視制御部２０の構成で判断可能である。ＤＡＣ出力を線形範囲の最大限に高めたあと、ドライバ３２の各増幅器３２１〜３２４の利得を、光変調器１〜４の入出力特性の線形範囲の最大値まで増大させる（Ｓ２２）。この処理により、ＤＡＣ３１の出力、及び／又はドライバ３２の利得が経年劣化で低下した場合も、入出力特性の線形範囲内で最適なレベルに再調整することができる。
【００７８】
図２１は、ＤＡＣ３１の出力とドライバ３２の利得を最適化する別の処理フローの例を示す。光送信機１００のアナログ部分の入出力特性は、温度変化、電源電圧の変動等によって変化する場合がある。このような場合にも、ＤＡＣ３１の出力とドライバ３２の利得を再調整し、最適化する。
【００７９】
監視制御部２０でモニタ信号を取得し（Ｓ３１）、モニタ信号からアナログ部分の入出力特性が非線形範囲に入ったか否かを判断する（Ｓ３２）。モニタ信号、すなわち光出力パワーを表わす電圧値に回転ディザと同じ周期の交流成分が含まれていないか、または閾値以下の場合は（Ｓ３２でＮＯ）、ＤＡＣ出力から光出力振幅までの入出力特性が線形範囲内にあると判断され、ステップＳ３１とＳ３２を繰り返す。
【００８０】
モニタ信号に回転ディザと同じ周波数の交流成分が含まれている場合は、ＤＡＣ出力から光出力振幅までの入出力特性が非線形範囲に入ったと判断される（Ｓ３２でＹＥＳ）。この場合、監視制御部２０はアラームまたは制御信号を発生する（Ｓ３３）。アラームまたは制御信号に基づいて、ドライバ３２の利得を下げる調整が行われる（Ｓ３４）。
【００８１】
その後、非線形範囲を示す平均光出力パワーの変動量が小さくなったか否かを判断する（Ｓ３５）。平均光出力パワーの変動量が小さくなった場合は（Ｓ３５でＹＥＳ）、ドライバ利得の制御方向が正しい方向であるため、パワー変動が無くなるまでドライバ利得を小さくする制御を続ける。その後、ＤＡＣ３１の出力を、平均光出力パワーが変動しない範囲内で、最大限まで増大する（Ｓ３７）。
【００８２】
ステップＳ３５で平均光出力パワーの変動量が小さくならない場合は、パワー変動が無くなるまでＤＡＣ３１の出力を小さくする制御を行う（Ｓ３８）。その後、ドライバ３２の利得を、平均光出力パワーが変動しない範囲内で最大限まで増大する（Ｓ３９）。
【００８３】
この制御により、運用中に温度変化や電源電圧変動により光送信機１００のアナログ部分の入出力特性が非線形範囲に入った場合でも、ドライバ３２の利得とＤＡＣ３１の出力を最適化して、入出力特性を線形範囲に調整することができる。
【００８４】
以上述べたように、光出力信号の偏波状態または位相を周期的または反復的に回転し、光変調器の光出力パワーの変動を監視する。この構成と手法により、光変調器の駆動振幅に監視用の信号を重畳しなくても、ＤＡＣ出力から光変調器の光出力振幅までの入出力特性が線形範囲にあるかどうかを、運用中に精度良く判別することができる。
【００８５】
また、ＤＡＣ出力から光変調器の出力振幅までの入出力特性が非線形範囲に入った場合は、ＤＡＣ出力とドライバ利得の少なくとも一方を最適化して再調整することで、経年劣化、温度変化、電源電圧変動などの影響を抑えることができる。入出力特性が線形範囲にある場合でも、定期的または不定期にＤＡＣ出力とドライバ利得を線形範囲の最大限まで再調整することで、線形範囲を広く維持することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１、２、３、４  光変調器
１０  変調部
１１IX、１１QX、１１IY、１１QX  光導波路
２０  監視制御部
２１  ＰＤ（受光素子）
２２  フィルタ
２３  ＴＩＡ
２４  パワー測定器
２５  制御処理回路
３０  ＤＳＰ
３１  ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）
３２  ドライバ
３３  光源
２５１  変動算出部
２５２  判定回路
２５３  制御信号生成器
３０１  回転ディザ制御部
３２１〜３２４  増幅器
【図１】
2019020601.tif 000007
【図２】
2019020601.tif 000008
【図３】
2019020601.tif 000009
【図４】
2019020601.tif 000010
【図５】
2019020601.tif 000011
【図６】
2019020601.tif 000012
【図７】
2019020601.tif 000013
【図８】
2019020601.tif 000014
【図９】
2019020601.tif 000015
【図１０】
2019020601.tif 000016
【図１１】
2019020601.tif 000017
【図１２】
2019020601.tif 000018
【図１３】
2019020601.tif 000019
【図１４】
2019020601.tif 000020
【図１５】
2019020601.tif 000021
【図１６】
2019020601.tif 000022
【図１７】
2019020601.tif 000023
【図１８】
2019020601.tif 000024
【図１９】
2019020601.tif 000025
【図２０】
2019020601.tif 000026
【図２１】
2019020601.tif 000027