(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光搬送波に所定周波数の送信用高周波信号で搬送波を抑圧した両側波帯変調を施して光ファイバ伝送路に出力する光変調手段と、
前記光変調手段からの分岐出力光を電気信号に変換して前記所定周波数の別の高周波信号を抽出する抽出手段と、
前記別の高周波信号を前記送信用高周波信号と同期検波して、前記光変調手段の光合成位相差を制御する制御信号を生成する制御信号生成手段と、
前記制御信号を前記光変調手段の直流バイアスに重畳して前記光変調手段に負帰還することで、前記光変調手段からの出力光の光合成位相差を一定に補償する補償手段と
を備えたことを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光変調器に関し、特に、光ファイバを用いた高周波信号の伝送に好適に構成したマッハツェンダ型光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分散のある光ファイバを用いて強度変調方式により高周波信号を伝送すると、伝送信号は周期的な伝送距離間隔で消失することが知られている。そこで、分散の影響を受けにくい変調方式として、単側波帯変調方式（Single  Side  Band）（Ｇ．Ｈ．Smith:“Novel Technique for Generation of Optical ＳＳＢ with Carrier using a Single  ＭＺＭ to Overcome  Fiber Chromatic Dispersion”，Microwave Photonics Conf．，ＭＷＰ′９６，ＰＤＰ−２，１９９６．）、および抑圧搬送波両側波帯変調方式（Double Side Band Suppressed Carrier:以下、ＤＳＢ−ＳＣと記す）（Ｈ．Schmuck Ｒ．Heidemann and Ｒ．Hofstter：“Distribution of ６０ＧＨｚ signals to more than １０００ base stations”，Electron．Ｌett ．，Vol ．３０，No．１，pp．５９−６０，１９９４．）がこれまでに提案されている。
【０００３】
マッハツェンダ型外部光変調器は、上記の変調方式を実現する光デバイスとして一般的に用いられている。このマッハツェンダ型外部光変調器は、２分岐した光導波路の一方に変調信号で位相変調して光合成する（不平衡）か、または両方に互いに逆相の変調信号（電気信号）で位相変調して光合成する（平衡）もので、上記のＤＳＢ−ＳＣ方式では無変調時の光合成位相差がπ（光出力なし）となるようにＤＣバイアスが選ばれる。
【０００４】
この位相差条件を保って光搬送波を周波数ｆの高周波信号（ＲＦ信号）で変調すると、搬送波が抑圧されている。このため、分散のある光ファイバを用いて伝送したときに任意の伝送距離における受信点で受光しても、信号の消失のない周波数２ｆの高周波信号を得ることができる。
【０００５】
また外部光変調器には、電気光学定数が比較的大きく、かつ高速変調が可能なニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）結晶が一般的に用いられている。しかし、この結晶は温度変化により光合成位相差がドリフトするという特性を有している。そこで、デバイス構造に工夫を凝らすことでこの温度ドリフトを低減する手法が報告されている（中島：“ニオブ酸リチウム（ＬＮ）導波路デバイス”、ＯＰＴＲ０ＮＩＣＳ，Ｎ０．１０，pp１５７−１６３，１９９６．）。
【０００６】
中島による上記手法では電気的な帰還を用いていないが、電気的な帰還により光合成位相差の温度ドリフトを制御する手法も報告されている（相澤、宮尾、高知尾、桑野：“低周波信号重畳によるＬＮ変調器のドリフト制御”、９７信学総大、Ｃ３１８０，１９９７．）。
【０００７】
相澤らの手法は、デジタル・ベースバンド信号を光ファイバを用いて伝送する場合に、送信信号に微少振幅の低周波正弦波信号を重畳してマッハツェンダ型外部光変調器に印加し、送信光信号の一部を電気信号に変換し、自乗した後、重畳する正弦波信号と同期検波して直流バイアス電圧に負帰還することで光合成位相差をπ／２に保とうとするものであり、高周波信号ではなくベースバンド信号を伝送する手法である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
温度が変化しても光合成位相差を一定値に保つためには、送出光信号の一部を電気信号に変換して光合成位相差を検出し、これをＤＣバイアス電圧に負帰還する必要がある。しかしながら上記従来技術では、光ファイバ伝送後に受信される周波数２ｆ成分の振幅からは光合成位相差を検出することができないという課題があった。
【０００９】
また相澤らの手法には、光位相差検出用の信号が必要であること、光変調度が浅い場合には光位相差の検出が難しいこと、送信信号に妨害を与えないように正弦波信号の振幅が制限されること、等の課題があった。
【００１０】
そこで、本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、光合成位相差に対応した制御電圧を生成することで、上記の課題を解決した抑圧搬送波両側波帯方式の安定な光変調器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために請求項１の発明は、光搬送波に所定周波数の送信用高周波信号で搬送波を抑圧した両側波帯変調を施して光ファイバ伝送路に出力する光変調手段と、前記光変調手段からの分岐出力光を電気信号に変換して前記所定周波数の別の高周波信号を抽出する抽出手段と、前記別の高周波信号を前記送信用高周波信号と同期検波して、前記光変調手段の光合成位相差を制御する制御信号を生成する制御信号生成手段と、前記制御信号を前記光変調手段の直流バイアスに重畳して前記光変調手段に負帰還することで、前記光変調手段からの出力光の光合成位相差を一定に補償する補償手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実施の形態について説明するにあたり、まず周波数ｆの正弦波信号を送信する場合を例に、図１を参照して本発明の原理を開示し、その詳細を説明する。
【００１３】
図１に示す原理構成において、光源１は光周波数νのスペクトラム特性を有し、光源１からの光は電極４を備えた不平衡マッハツェンダ型外部光変調器３に入力されて変調を受ける。光源１のスペクトラム特性を図２（ａ）に示す。
【００１４】
光変調器３からの出力光は光合成点５を介して光分岐器１０に入力される。光分岐器１０の本線出力光は、光ファイバ伝送路７上を伝送されて任意の伝送距離に設けられた受光器８に達して電気段に導かれる。光分岐器１０からの分岐出力光は、受光器１１で電気信号に変換された後バンドパス・フィルタ（ＢＰＦ）１２に入力され、ここでその周波数ｆ成分を抽出され、当該成分はバンドパス・フィルタ１２を通過してミキサ１３に達する。
【００１５】
一方、信号源１４からは搬送周波数ｆの正弦波信号が出力され、これはバイアスＴ回路１８を介して電極４より不平衡マッハツェンダ型外部光変調器３に印加される。信号源１４からの正弦波信号はまたバンドパスフィルタ１２の出力信号と同一の遅延時間となるように、遅延線１５を通過して所定時間遅延されてミキサ１３に達する。これによりミキサ１３は、バンドパス・フィルタ１２からの周波数ｆの出力高周波信号を同期検波する。
【００１６】
この検波出力はローパス・フィルタ（ＬＰＦ）１６に供給されて高域を遮断されることで平滑され、直流の制御信号が生成される。この制御信号は直流電源１７からの一定値のＤＣ電圧に重畳され、バイアスＴ回路１８を介して電極４より不平衡マッハツェンダ型外部光変調器３に負帰還入力される。
【００１７】
上記した通りに不平衡マッハツェンダ型外部光変調器３に入力光と周波数ｆの正弦波信号を印加すると、光変調器３の出力における光スペクトラムは周知の如く図２（ｂ）に示す通りとなる。すなわち出力光は、光周波数νと、当該周波数に対してｆだけ高い周波数（ν＋ｆ）と低い周波数（ν−ｆ）に成分を有する。
【００１８】
また、同図（ｃ）は電気段での周波数スペクトラムを示すもので、光ファイバ伝送路７上を任意の距離伝送された後に受信され、自己ヘテロダインにより得られる２倍の周波数２ｆの信号を示している。
【００１９】
上記の構成において、光合成点５での二つの導波路の光合成位相差をψとする。本発明は、温度が変化しても正弦波信号を電極４に印加しない時のψをＤＳＢ−ＳＣの位相差条件であるπ（逆相）に保つようにＤＣバイアス電圧を制御することで、前述した従来技術の課題を解決するものであり、以下に詳述する原理にしたがって動作する。
【００２０】
ここで、不平衡マッハツェンダ型外部光変調器３に周波数ｆの正弦波信号を印加した時の光の位相変調指数をｍとすると、受光器１１により得られる周波数ｆ成分の電流Ｉf は、比例定数をα、１次のベッセル関数をＪ1 として以下の式（１）で与えられる。
【００２１】
【数１】
Ｉf ＝αＪ1 （ｍ）ｓｉｎψｓｉｎ（２πｆｔ＋φ）    （１）
信号源１４から出力する変調しようとする周波数ｆの正弦波信号はｓｉｎ（２πｆｔ）と表すことができるので、正弦波信号に遅延線１５によって位相φで表される遅延を与えてミキサ１３によって同期検波することで、ｓｉｎψに比例した検波出力をミキサ１３より得ることができる。
【００２２】
図３はミキサ１３の検波出力電圧特性を示す特性図である。縦軸の検波出力電圧は、横軸の位相差ψに対して正弦波特性で変化する。同図の特性の検波出力を制御電圧として用いることで、温度ドリフトに対して光合成位相差ψを一定値に保つことができる。
【００２３】
図４は、電極４に印加するＤＣ電圧と光合成位相差ψの関係を示している。同図において、直線４１は温度Ｔのときの関係、直線４２は温度Ｔ＋ΔＴのときの関係である。同図に示す関係を利用することで、以下に説明する通りの光合成位相補償を行うことができる。
【００２４】
図４中、温度Ｔにおいて光合成位相差ψがπとなるように直流電源１７の出力ＤＣ電圧が一定値Ｖ0 に設定されているものとする（直線４１上のＡ点）。温度がドリフトしてＴ＋ΔＴになると、出力ＤＣ電圧がＶ0 のままでは光合成位相差ψはπに対してたとえば位相差が増大する方向にずれてしまう（直線４２上のＢ点）。そこで、ミキサ１３からの検波出力電圧ΔＶをバイアスＴ回路１８で出力ＤＣ電圧Ｖ0 に重畳して電極４に印加する電圧をたとえば低くすることで、光合成位相差ψをπに保つことができる（直線４２上のＣ点）。
【００２５】
なお、ミキサ１３の検波出力電圧特性（図３）において、光合成位相差ψがπに対して増大する近傍で検波出力電圧は減少傾向を示しており、電極４への印加電圧を低下させることができる。
【００２６】
上述した通り、図１に示した通りの本発明の原理構成、光合成位相差をπとするマッハツェンダ型光変調器３において光搬送波に周波数ｆの正弦波高周波信号で搬送波を抑圧した両側波帯変調を施して光ファイバ伝送し、受光した時に２倍の周波数２ｆの高周波信号を得る高周波信号の光ファイバ伝送方式の光変調器において、光変調器３の出力光の一部を電気信号に変換し、周波数ｆの高周波信号を抽出し、送信する周波数ｆの正弦波高周波信号と同期検波を行なって生成した制御電圧を光変調器３のＤＣバイアス電圧に帰還するようにした構成を採ることにより、温度が変化した場合にも、光合成位相差ψのドリフトを防いで一定値πに制御することができる。すなわち、抑圧搬送波両側波帯方式の条件を保つようにマッハツェンダ型光変調器３を安定化することができる。
【００２７】
なお、図１は不平衡型マッハツェンダ型外部光変調器３を含む構成を記載したが、平衡型光変調器についても上記した本発明の原理構成を適用して安定化する
次に、本発明の実施の形態について図５および図６を参照して説明する。
【００２８】
図５は本発明の一実施の形態の構成を示すブロック図であり、同図は、本発明を周波数偏移方式による高周波ＦＳＫ（Frequency-shift keying）信号の光ファイバ伝送に適用した光位相差安定化方式の実施例を示している。
【００２９】
図５に示す構成は、図１中の信号源１４をデジタル信号源２２に置き換え、正弦波信号の代わりにデジタル信号源２２からのベースバンド・デジタル信号をＦＳＫ変調器２３により搬送周波数ｆの周波数偏移したＦＳＫ信号６０（図６（ａ））として送信するようにし、かつ、光合成位相差検出／制御部２１を設けて上述した原理構成により同期検波による制御電圧の生成、ＤＣバイアスの重畳、負帰還を行うようにしたものであり、その他の図１中の構成要素と同一のものには同一符号を付し、ここではその詳細な説明を省略する。
【００３０】
したがって、図５中の光源１のスペクトラム特性は図６（ｂ）に示される。また、上記した通りに搬送周波数ｆのＦＳＫ信号を用いて不平衡マッハツェンダ型外部光変調器３に印加すると、光変調器３の出力における光スペクトラムは周知の如く図６（ｃ）に示す通りとなる。すなわち出力光は、光周波数νの成分と、当該周波数に対してｆだけ高い周波数（ν＋ｆ）と低い周波数（ν−ｆ）の周波数偏移した成分を有する。
【００３１】
上述の構成により、光合成位相差ψのドリフトを防いで一定値πとなるように安定に制御し、光ファイバ伝送路７上を任意の距離伝送された後に搬送波周波数２ｆで周波数偏移が送信信号６０の２倍のＦＳＫ信号６１を図６（ｄ）に示す通りに得ることができる。
【００３２】
高周波信号（ＲＦ信号）を伝送する本実施の形態の方式は［従来の技術］において説明した相澤らの手法と同期検波および直流バイアス電圧への負帰還は同じであるが、送信するＦＳＫ信号を利用して光位相変調度が小さな場合でも光合成位相差を高精度に検出することができる点で異なる。
【００３３】
なお、上記の実施の形態では送信するＦＳＫ信号を利用して光合成位相差を一定条件に制御する例について説明したが、この他に、ＦＳＫ信号の搬送波周波数ｆとは異なる周波数ｇの正弦波信号を周波数多重して光変調器に印加し、周波数ｇの成分を抽出して同期検波をする手法も考えられる。周波数多重を行うこの手法は、周波数多重する正弦波信号の振幅を低く設定して、ＦＳＫ信号の伝送に妨害を与えないように考慮する必要があり、これにより、電気の受信帯域幅の小さな受光器でも検出部を構成することができる効果がある。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明光変調器によれば、温度が変化しても変調手段の光合成位相差を一定値πに補償するように制御できるという効果がある。また、異なる周波数の信号を周波数多重して変調手段に印加するようにした光変調器によれば、周波数多重する信号の周波数を低く選ぶことで、受信帯域幅の小さな受光器で検出部を構成することができるという効果があ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の原理構成における各部のスペクトラム特性を示す特性図である。
【図３】本発明の原理構成におけるミキサの検波出力電圧特性を示す特性図である。
【図４】本発明の原理構成における光合成位相差の制御原理を説明する特性図である。
【図５】本発明の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施の形態の構成における各部のスペクトラム特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１  光源
３  不平衡マッハツェンダ型外部光変調器
４  電極
５  光合成点
７  光ファイバ伝送路
８  受光器
１０  光分岐器
１１  受光器
１２  バンドパス・フィルタ
１３  ミキサ
１４  信号源
１５  遅延線
１６  ローパス・フィルタ
１７  直流電源
１８  バイアス回路
２１  光合成位相差検出／制御部
２２  デジタル信号源
２３  ＦＳＫ変調器
【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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