(57)【要約】【課題】  光通信装置の小型化を実現しつつ、光変調器の変調特性を最適な条件に制御する。【解決手段】  光通信装置は、マッハツェンダ型の光変調器と、前記光変調器に印加される基板バイアスに低周波信号を重畳する低周波重畳回路と、前記光変調器の出力の一部をモニタするモニタ回路と、前記モニタ回路の出力に含まれる低周波成分に基づいて前記基板バイアスを制御する基板バイアス制御回路と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マッハツェンダ型の光変調器と、
前記光変調器に印加される基板バイアスに低周波信号を重畳する低周波重畳回路と、
前記光変調器の出力の一部をモニタするモニタ回路と、
前記モニタ回路の出力に含まれる低周波成分に基づいて前記基板バイアスを制御する基板バイアス制御回路と、
を有することを特徴とする光通信装置。
【請求項２】
前記モニタ回路の出力に含まれる前記低周波成分に基づいて、前記光変調器に印加される位相バイアスを制御する位相バイアス制御回路、
をさらに有し、
前記低周波重畳回路は、前記光変調器に印加される位相バイアスに前記低周波信号を重畳することを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
【請求項３】
前記光変調器に変調用の駆動信号を印加する駆動回路、
をさらに有し、
前記光変調器、前記モニタ回路、及び前記基板バイアス制御回路が同一の部品内に配置され、前記駆動回路は前記部品の外部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
【請求項４】
前記光変調器に変調用の駆動信号を印加する駆動回路、
をさらに有し、
前記光変調器、前記モニタ回路、前記基板バイアス制御回路、及び前記位相バイアス制御回路が同一の部品内に配置され、前記駆動回路は前記部品の外部に配置されることを特徴とする請求項２に記載の光通信装置。
【請求項５】
前記光波を出力する光源と、
前記光源を制御する光源制御回路
をさらに有し、
前記光源と前記光源制御回路は前記部品内に配置されることを特徴とする請求項３または４に記載の光通信装置。
【請求項６】
前記光変調器に変調用の駆動信号を印加する駆動回路と、
光伝送路を伝搬する光信号を受信して電気信号を出力する光受信器と、
をさらに有し、
前記光変調器、前記低周波重畳回路、前記モニタ回路、前記基板バイアス制御回路、前記駆動回路、及び前記光受信器は、同一の部品内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
【請求項７】
マッハツェンダ型の光変調器に印加される基板バイアスに低周波信号を重畳し、
前記光変調器の出力の一部を取り出して前記出力に含まれる低周波成分を検出し、
前記低周波成分に基づいて、前記基板バイアスを制御する、
ことを特徴とする光変調器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に用いられる光変調器の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（ＤＰ−ＱＰＳＫ：Dual Polarization Quadrature Phase-Shift Keying）方式により、１００Ｇｂ／ｓの長距離光伝送が実現されている。さらなる大容量化を実現するために、偏波多重１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）等の、より多値レベルの高い変調方式の開発が進められている。
【０００３】
光変調器として、一般にマッハツェンダ変調器が使用されている。マッハツェンダ変調器は、光導波路でマッハツェンダ干渉計を構成して位相変調を行う変調器である。マッハツェンダ変調器は、単一の光導波路による位相変調方式と比較して波長（周波数）チャーピングが小さく、長距離伝送に適している。
【０００４】
一般的には、誘電体の電気光学効果（ポッケルス効果）を利用したＬｉＮｂＯ３マッハツェンダ光変調器が使用されているが、小型化を実現するために、半導体マッハツェンダ光変調器による多値変調の開発が進んでいる。
【０００５】
半導体光変調器には、変調器に入力される光の波長に応じて変調特性（印加電圧と光波の位相変化の関係）が変動してしまうという固有の問題がある。半導体光変調器は印加電圧により半導体の吸収端波長が変化し、Kramers-Kronigの関係により吸収に伴う位相変化を利用して光波位相を変調している。したがって、変調を受ける光波長が吸収端波長に近
いほど電圧変化に対する位相変化が大きくなるという波長依存性を持つ。
【０００６】
半導体光変調器の変調特性の波長依存性の課題に対して、光入力波長に応じて基板バイアスまたは変調器駆動振幅を調整・制御する方法が知られている。第１の技術は、用いる光波長に応じて、基板バイアスをあらかじめ決められた電圧に設定する。これにより、光波長が変化しても同じ駆動振幅で変調器を駆動することができる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
第２の技術は、基板バイアスまたは変調器駆動振幅をフィードバック制御する方法である。駆動データ信号に低周波信号を印加して光信号出力をモニタし、モニタ結果に応じて基板バイアスと変調器駆動振幅の少なくとも一方を制御する（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３２６５４８号公報（特許第４２７２５８５号）
【特許文献２】特開２０１２−２５７１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
第１の技術は、基板バイアスを固定値に設定するため、駆動回路の出力振幅が温度変化や経時変化の影響を受ける場合や変調器の変調特性が経時変化する場合に、最適な変調条件から外れてしまう。また、事前に変調器の光波長対変調特性のデータを取得する必要があり、試験時間やコストがかかる。
【００１０】
第２の技術は、変調器の制御に変調器駆動回路を使用するため、変調器の制御機能を製品に内蔵するためには、駆動回路を搭載する必要がある。半導体変調器の製品形態として半導体変調器のみを搭載したモジュール、半導体光変調器と半導体レーザを搭載したモジュール等、多様な形態がある。駆動回路は変調方式（伝送速度）によって多数の回路を要するので、光変調器と制御機能を集積する場合、駆動回路を用いて光変調器の特性を制御する構成では小型化の妨げとなる。
【００１１】
そこで、小型化を実現しつつ光変調器の変調特性を最適な条件に制御することのできる光通信装置と光変調器の制御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】
【００１２】
ひとつの態様では、光通信装置は、
マッハツェンダ型の光変調器と、
前記光変調器に印加される基板バイアスに低周波信号を重畳する低周波重畳回路と、
前記光変調器の出力の一部をモニタするモニタ回路と、
前記モニタ回路の出力に含まれる低周波成分に基づいて前記基板バイアスを制御する基板バイアス制御回路と、
を有する。
【発明の効果】
【００１３】
小型化に適した形態で光変調器の最適制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態の光送信機の概略構成図である。
【図２】低周波重畳による基板バイアス制御の仕組みを説明する図である。
【図３】第２実施形態の光送信機の概略構成図である。
【図４】第３実施形態の光送信機の概略構成図である。
【図５】第４実施形態の光送信機の概略構成図である。
【図６】第５実施形態の光送信機の概略構成図である。
【図７】第6実施形態の光送受信機の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第1実施形態＞
図１は、光通信装置の一形態として光送信機１Ａの概略構成を示す。光送信機１Ａは、光源１１と、マッハツェンダ型光変調器１２（以下、適宜「光変調器１２」と略称する）と、光変調器１２を駆動する駆動回路１３ａ、１３ｂを有する。光送信機１Ａはまた、光変調器１２の出力をモニタするモニタ回路１５と、モニタ結果に基づいて位相バイアスを制御する位相バイアス制御回路１６と、モニタ結果に基づいて基板バイアスを制御する基板バイアス制御回路１７と、基板バイアス制御回路１７に低周波信号を供給する低周波重畳回路１８を有する。
【００１６】
光源１１は、たとえば半導体レーザであり、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplex）伝送システムに対応できるように波長可変機能を有する。マッハツェンダ型光変調器１２は、一対の光導波路１２ａと１２ｂ（図では「光導波路Ａ」及び「光導波路Ｂ」とも表記される）を有する。光導波路１２ａ、１２ｂでは、電圧に対する光波の位相変化量が基板バイアス電圧により変化する。位相バイアス制御回路１６は、２つの光導波路１２ａ、１２ｂ間での光波の位相差を調整する位相バイアス電圧を制御する。基板バイアス制御回路１７は、変調器１２の動作点（変調器駆動信号の中心電位）を決める基板バイアス電圧を制御する。
【００１７】
光源１１から出力された光波は光変調器１２に入力される。駆動回路１３ａ及び１３ｂは、入力される電気信号を増幅し、光変調器１２を駆動する。駆動回路１３ａ、１３ｂの各々から出力される高速駆動信号（たとえば、３２Ｇｂ／ｓ）が、光導波路１２ａと１２ｂの図示しない信号電極に入力されて、光源１１から入力された光波を高速変調する。光導波路１２ａを伝搬した光波と、光導波路１２ｂを伝搬した光波は合波され、干渉光が光変調器１２から出力される。変調された光波の一部がモニタ回路１５で検出され、光電気変換される。
【００１８】
低周波重畳回路１８は、駆動信号に比べて十分に低い周波数の信号（たとえば、数ｋＨｚ）を繰り返し発生し、低周波信号を基板バイアス制御回路１７と位相バイアス制御回路１６に供給する。基板バイアス制御回路１７は、光変調器１２の基板バイアスを低周波信号により微小変調（低い変調率で変調）する。基板バイアス制御回路１７はまた、モニタ回路１５の出力に含まれる低周波成分を検出して、検出される低周波成分の大きさがゼロに近づくように、基板バイアスを制御する。基板バイアス制御回路１７は図示しない位相比較回路を有しており、モニタ信号に含まれる低周波成分の位相と、低周波重畳回路１８から供給される低周波信号の位相を比較し、基板バイアスの制御方向(増大させるか減少させるか)を判断する。
【００１９】
位相バイアス制御回路１６は、位相バイアスを低周波で微小変調し、モニタ信号に含まれる低周波成分がゼロになるように位相バイアスを制御する。光位相変調方式では、駆動信号の振幅中心が光変調器１２の電圧対光強度特性（変調曲線）の光強度が最低となる位置に近づくように、位相バイアス電圧が制御される。モニタされる低周波成分が最小になるように制御することで、駆動信号の振幅中心と、変調曲線の最小点を一致させることができる。
【００２０】
図２は、低周波重畳による基板バイアス制御の仕組みを説明する図である。上述のように、半導体光変調器は、基板バイアスを変化させることで変調特性（印加電圧に対する位相変化量）を変えることができる。２相位相変調方式または４相位相変調方式では、ひとつのマッハツェンダ型光変調器１２において、０とπの二値位相変調をかける。図２（Ａ）に示すように、光変調器１２の基板バイアス電圧を低周波で変調すると、図２（Ｂ）に示すように光変調器１２の電圧対位相特性(Ｖπ)が低周波に合わせて変化する。その結果、光波の位相変調は高速駆動信号による０／π変調に加えて、低周波によりπ±φで変調がかかる。ここでφは低周波変調にともなう位相変調振幅の変化を表わす。
【００２１】
図２（Ｃ）に示すように、高速駆動信号による位相変調振幅がπに合致したときは、検出される低周波成分が最小(ゼロ)になる。この時の動作点は最適動作点であり、低周波成分は折り返されて２倍周波の成分となるため、重畳された低周波成分は検出されない。
【００２２】
光変調器１２の電圧対位相特性が波長変化または経時変化により変化した場合、最適な動作点からずれて、π以上の位相変調またはπ以下の位相変調がかかり、光変調器１２の出力信号から低周波成分が検出される。π以上の位相変調とπ以下の位相変調では検出される低周波成分の位相が反転している。光変調器１２の基板バイアスを変えると、光変調器１２の電圧対位相特性が変化する。したがって、光変調器１２の出力に含まれる低周波成分が最小(ゼロ)になるように基板バイアスを制御することで、０とπの位相変調が維持される。
【００２３】
図２（Ｄ）の場合は、最適値より小さい基板バイアスが印加されたため、重畳される低周波と同相の低周波成分が検出される。この場合、基板バイアス制御回路１７は、基板バイアスを大きくする方向に制御する。図２（Ｅ）の場合は、最適値より大きい基板バイアスが印加されたため、重畳される低周波と逆相の低周波成分が検出される。この場合、基板バイアス制御回路１７は基板バイアスを小さくする方向に制御する。
【００２４】
この構成では、制御系に駆動回路を含まず、入力光の波長が変化した場合や、光変調器１２の電圧対位相変化の特性が経時変化した場合にも、常に０とπの安定した位相変調を実現することができる。
【００２５】
なお、駆動振幅を所定値に固定するために、駆動回路１３ａ、１３ｂの出力振幅をモニタしてフィードバック制御してもよい。あるいは、温度変動や電源変動に対して駆動振幅のフィードフォワード制御を行ってもよい。
＜第２実施形態＞
図３は、第２実施形態の光通信装置の一形態として光送信機１Ｂの概略構成を示す。光送信機１Ｂは、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）に適用され、波形の同相成分に対するＩ（In-phase）変調系列と、直交成分に対するＱ（Quadrature）変調系列を有する。
【００２６】
光源１１からの光は分岐されて、光変調部３の２つのマッハツェンダ型光変調器１２Ｉ及び１２Ｑ（以下、適宜「Ｉ変調器１２Ｉ」、「Ｑ変調器１２Ｑ」と称する）にそれぞれ入力される。Ｉ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑの各々は、第１実施形態と同様に、電圧に対する光波の位相変化量が基板バイアス電圧により変化する一対の光導波路で構成される。Ｉ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑの各々で、入力光が２つに分岐され、光導波路Ａと光導波路Ｂに入力される。Ｉ変調器１２Ｉの出力とＱ変調器１２Ｑの出力はそれぞれ位相シフタ２２Ｉ、２２Ｑで位相調整を受け、Ｉ変調器１２Ｉからの光波とＱ変調器１２Ｑからの光波の間にπ／２ラジアン（９０度）の位相差が付加されてから合波され、出力される。
【００２７】
出力光の一部がモニタ回路２５でモニタされ、モニタ結果に基づく制御信号がπ／２シフト制御回路２１と、位相バイアス制御回路１６Ｉ、１６Ｑと基板バイアス制御回路１７Ｉ、１７Ｑに供給される。
【００２８】
Ｉ変調器１２Ｉの２つの光導波路１２Ｉａと１２Ｉｂに、駆動回路１３Ｉａと１３Ｉｂからそれぞれ高速駆動信号が印加されて、光波を高速変調する。２つの光導波路１２Ｉａと１２Ｉｂの間では、光波の位相が逆位相で変調され、合波されてＩ変調器１２Ｉから出力される。この合波出力は、位相が０とπの２値変調がかかった光波である。同様に、Ｑ変調器１２Ｑの２つの光導波路１２Ｑａと１２Ｑｂに駆動回路１３Ｑａと１３Ｑｂからそれぞれ高速駆動信号が印加されて光波を高速変調する。２つの光導波路１２Ｑａと１２Ｑｂの間では、光波の位相が逆位相で変調され、合波されてＱ変調器１２Ｑから出力される。この合波出力は、位相が０とπの２値変調がかかった光波である。駆動回路の振幅が多値の場合は、出力光の振幅が多値変調されるが、位相は２値である。
【００２９】
Ｉ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑは、ともに半導体変調器（ＩｎＰ変調器等）であり、印加電圧により半導体の吸収端波長が変化し、Kramers-Kronigの関係により吸収に伴う位相変化を利用して光波の位相を変調する。Ｉ変調器１２Ｉの出力とＱ変調器１２Ｑの出力にπ／２の位相差が付加された後に合波された光は、直交位相変調された光波となる。
【００３０】
第１実施形態と同様に、低周波重畳回路１８ＩからＩ基板バイアス制御回路１７ＩとＩ位相バイアス制御回路１６Ｉに低周波信号が供給される。Ｉ基板バイアス制御回路１７Ｉは、基板バイアスを低周波で微小変調する。同様に、低周波重畳回路１８ＱからＱ基板バイアス制御回路１７ＱとＱ位相バイアス制御回路１６Ｑに低周波信号が供給される。Ｑ基板バイアス制御回路１７Ｑは、基板バイアスを低周波で微小変調する。
【００３１】
Ｉ変調光とＱ変調光の合波後の光信号の一部は、モニタ信号としてモニタ回路に入力されて電圧に変換される。基板バイアス制御回路１７Ｉと１７Ｑの各々で、モニタ信号に含まれる低周波成分が同期検波される。最適な動作点では、検波される低周波成分はゼロになるが、最適動作点からずれた場合は、低周波成分が検出され、ずれの方向によって低周波成分の極性（位相）が逆転する。したがって、図２を参照して説明したように、基板バイアスを制御する方向と大きさがわかる。
【００３２】
位相バイアス制御回路１６Ｉと１６Ｑの各々で、低周波成分の検出に基づく位相バイアスの制御を行う。位相バイアスを低周波で微小変調し、モニタ信号に含まれる低周波成分がゼロに近づくように位相バイアスを制御して、マッハツェンダ型光変調器の２つの光導波路間の光波の位相差を調整する。
【００３３】
なお、結線の図示を省略するが、低周波信号をπ／２シフト制御回路２１に供給してπ／２シフトバイアスを低周波で微小変調し、モニタ信号の交流成分に含まれる低周波成分がゼロになるように制御してもよい。基板バイアス、位相バイアス、π／２シフトバイアスの制御はそれぞれ独立の回路を設けて並列に制御してもよいし、ＣＰＵを用いた時分割制御としてもよい。
＜第３実施形態＞
図４は、第３実施形態の光通信装置の一形態として光送信機１Ｃの概略構成を示す。光送信機１Ｃは、偏波多重変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ）に適用される。
【００３４】
光源１１からの光は分岐されて、Ｘ偏波系列とＹ偏波系列に入力される。各偏波系列で光波は２つに分岐されて、マッハツェンダ型光変調器１２Ｉ及び１２Ｑに入力される（以下、適宜「Ｉ変調器１２Ｉ」、「Ｑ変調器１２Ｑ」と称する）。Ｘ偏波系列の光変調部３ＸとＹ偏波系列の光変調部３Ｙの構成は、図３のＱＰＳＫ方式の変調部３の構成と同じであり、重複する説明を省略する。図４の構成例ではＸ偏波系列とＹ偏波系列のそれぞれにモニタ回路２５Ｘ、２５Ｙが設けられ、低周波成分を用いて基板バイアス、位相バイアス、π／２シフトバイアスをフィードバック制御しているが、偏波合波後にひとつのモニタ回路を用いてモニタしてもよい。各偏波成分に対する基板バイアス、位相バイアス、π／２シフトバイアスの制御は、第２実施形態で説明したのと同様である。
【００３５】
Ｘ偏波信号とＹ偏波信号は偏波多重回路２９で合波され、最適な動作点にバイアス制御された送信光信号が出力される。
＜第４実施形態＞
図５は、第４実施形態の光送信機１Ｄの概略構成図である。光送信機１Ｄは、光源としてのレーザダイオード３１と、光変調モジュール３０と、変調器ドライバ３３を有する。
【００３６】
光送信機１Ｄでは、モニタ部３５を含む光変調器３２と、位相バイアス制御回路３６、基板バイアス制御回路３７、低周波重畳回路３８が一つのモジュール３０に内蔵されている。モニタ部３５は、たとえば光検出器であり、検出した光信号を電流に変換して、位相バイアス制御回路３６と基板バイアス制御回路３７に供給する。
【００３７】
この例では、図１の構成に基づいて光変調モジュール３０を構成しているが、図３のＱＰＳＫ方式の光変調部３の構成要素を光変調モジュール３０に内蔵してもよい。その場合は、駆動回路１３Ｉａ，１３Ｉｂ，１３Ｑａ，１３Ｑｂはモジュール３０の外部に配置される。あるいは、図４のＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光変調部３Ｘ、３Ｙと、偏波多重回路２９とを光変調モジュール３０に内蔵してもよい。この場合も、Ｉ変調系列及びＱ変調系列の駆動回路１３Ｉａ，１３Ｉｂ，１３Ｑａ，１３Ｑｂはモジュール３０の外部に配置される。いずれの場合も、変調器駆動信号に低周波成分を重畳するのではなく、基板バイアスに低周波成分を重畳してフィードバック制御するので、制御系をコンパクトにすることができる。
【００３８】
この構成により、光変調器３２とバイアス制御系をひとつのモジュール（部品）に搭載して光送信機１Ｄの取り扱いを容易にすることができる。
＜第５実施形態＞
図６は、第５実施形態の光送信機１Ｅの概略構成図である。光送信機１Ｅは、光変調モジュール４０と、変調器ドライバ４３を有する。
【００３９】
光送信機１Ｅでは、モニタ部４５を含む光変調器４２と、位相バイアス制御回路４６、基板バイアス制御回路４７、低周波重畳回路４８に、光源（ＬＤ）４１と光源（ＬＤ）制御回路４９が一つのモジュール４０に内蔵されている。これにより、光源一体型の光変調モジュール４０が提供される。
【００４０】
この例では、図１の構成に基づいて光変調モジュール４０を構成しているが、図３のＱＰＳＫ方式の光変調部３の構成要素を光変調モジュール４０に内蔵してもよいし（駆動回路１３Ｉａ，１３Ｉｂ，１３Ｑａ，１３Ｑｂはモジュール４０の外部に配置される）、図４のＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光変調部３Ｘ、３Ｙと、偏波多重回路２９とを光変調モジュール４０に内蔵してもよい。
＜第６実施形態＞
図７は、光通信装置の一例として、第６実施形態の光送受信機２の概略構成を示す。光送受信機２は、送信系列と受信系列がひとつの光送受信モジュール５０に搭載されている。送信系列では、モニタ部５５を含む半導体変調器５２、光源ユニット、バイアス制御系、変調器ドライバ５３が搭載されている。光源ユニットは光源（ＬＤ）５１と光源制御回路５９を含む。バイアス制御系は位相バイアス制御回路５６、基板バイアス制御回路５７、及び低周波重畳回路５８を含む。
【００４１】
受信系列は、光受信器６０と光受信器制御回路６５を含む。ＬＤ５１から出力される光波の一部が分岐され、局発光として光受信器６０に入力される。光受信器６０は、受信した光信号を局発光と混合して光コヒーレント検波を行い、光電気変換および電流電圧変換を行って、電気信号を出力する。これにより、送受信フロントエンドモジュールが提供される。
【００４２】
この例では、図１の構成に基づいて光送受信モジュール５０の送信系を構成しているが、図３のＱＰＳＫ方式の光送信機の構成要素を光送受信モジュール５０に内蔵してもよいし、図４のＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光送信機の構成要素を光送受信モジュール５０に内蔵してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１Ａ〜１Ｅ  光送信機（光通信装置）
２  光送受信機（光通信装置）
１２、１２Ｉ、１２Ｑ  光変調器
１２ａ、１２ｂ  光導波路
１３，１３Ｉ、１３Ｑ  駆動回路
１６、１６Ｉ，１６Ｑ  位相バイアス制御回路
１７、１７Ｉ、１７Ｑ  基板バイアス制御回路
１８、１８Ｉ、１８Ｑ  低周波重畳回路
１５，２５  モニタ回路
３０、４０  光変調モジュール
５０  光送受信モジュール
【図１】
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【図２】
2016045340.tif 000004
【図３】
2016045340.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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