JP2008141671A - 光変調装置、光送信器および光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】デュオバイナリ変調方式の光変調装置において、光出力パワーの可変機能を備えることによって、コストの削減と小型化を図ること。
【解決手段】モニタ手段２５により、光変調手段２４から出力される光信号のパワーを検出する。振幅制御手段２８は、比較手段２９により光信号のパワーとその目標値である光出力目標値を比較し、その比較結果に基づいて、光変調手段２４から出力される光信号のパワーが光出力目標値に一致するように、光変調駆動手段２７から出力される駆動電圧の振幅を制御する。光変調手段２４は、その振幅が制御された駆動電圧により駆動される。
【選択図】図１

Description

この発明は、光変調装置、光送信器および光伝送システムに関する。

光伝送システムにおいて、送信する光信号を生成する方式には、半導体レーザーの出力光の強度を変調信号で変化させる直接変調方式と、半導体レーザーから出力された光に対して外部から変調を加える外部変調方式がある。外部変調方式には、半導体レーザーのチャーピングの問題がなく、高速で長距離の伝送が可能であるという利点がある。

図５は、従来の外部変調方式による光出力システムの構成を示す図である。図５に示すように、従来の外部変調方式の光送信器１は、レーザー駆動回路２により半導体レーザー（ＣＷレーザー）３から一定強度の連続した光を出力させ、その一定強度の光に外部変調器４により変調を加えて、出力する構成となっている。

外部変調器４は、パワーモニタ５により検出される光出力パワーに応じて自動バイアス制御回路（ＡＢＣ回路）６により制御されるバイアス電圧と、外部から入力される変調信号に基づいて、変調器駆動回路７により駆動される。外部変調器４から出力される光のパワーは、光送信器１に外付けされる光出力可変器（ＶＯＡ）８により調節される。

外部変調方式には、ＮＲＺ（Ｎｏｎ Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）方式やデュオバイナリ方式がある。ＮＲＺ方式は、従来から用いられている一般的な方式である。デュオバイナリ方式は、近年、検討されている方式であり、長距離伝送後の分散による信号劣化を軽減できるという利点を有する。

図６は、ＮＲＺ方式における外部変調器の駆動電圧と光出力パワーの関係を説明する図である。図６において、符号１１は、外部変調器に入力される駆動電圧の波形であり、符号１２は、外部変調器から出力される光信号の波形であり、符号１３は、外部変調器のバイアス電圧である。

図６に示すように、ＮＲＺ方式では、入力電圧対光出力特性が周期的に変化する特性を備えた外部変調器において、光出力が最大になる変調器駆動電圧と、光出力が最小になる変調器駆動電圧の中間点Ａに、外部変調器の動作点電圧が一致するように、外部変調器のバイアス電圧が制御される。「０」と「１」の２値の伝送信号は、そのバイアス電圧を中心に重畳される。

図７は、デュオバイナリ方式における外部変調器の駆動電圧と光出力パワーの関係を説明する図である。図７に示すように、デュオバイナリ方式では、光出力が最小になる変調器駆動電圧に、外部変調器の動作点電圧が一致するように、外部変調器のバイアス電圧が制御される。「０」と「１」と「−１」の３値の伝送信号は、そのバイアス電圧を中心に重畳される。

また、電圧対光出力特性が周期的に変化する特性を備えた光変調器と、該電圧対光出力特性の二つの発光の頂点または二つの消光の頂点の間の振幅で光変調器を駆動する電気駆動信号を生成する駆動信号生成部を備えた光変調装置において、所定の低周波信号を発生する低周波発振器、該低周波信号を、低周波信号成分が前記光変調器から出力される光信号に含まれるように、前記駆動信号に重畳する低周波重畳手段、前記光変調器から出力される光信号に含まれる前記低周波信号成分を低周波信号として検出するフォトダイオードを備え、該フォトダイオードにより検出された該低周波信号に基づいて光変調器の動作点変動を検出する低周波信号検出手段、前記光変調器の動作点変動の方向に応じて光変調器の動作点を制御する動作点制御手段を、備えたものが公知である。そして、この光変調装置において、２値のデータ信号を３値の電気信号に変換し、該３値の電気信号を光信号に変換する光デュオバイナリ変調を行うことが公知である（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３７２３３５８号公報（請求項１および３）

しかしながら、従来の外部変調器からなる光変調装置では、上述したように、光送信器の光出力パワーを調節するためには、光出力システムに光出力可変器およびその制御回路を追加する必要がある。そのため、光部品の数が多くなり、コストの増大を招くという問題点がある。また、光出力システムの小型化の妨げとなるという問題点がある。これらは、ＮＲＺ方式およびデュオバイナリ方式に共通の問題である。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、光出力パワーの可変機能を備えた光変調装置を提供することを目的とする。また、この発明は、光出力パワーの可変機能を備えた光変調装置を用いることによって、低コストで小型化が可能な光送信器、およびその光送信器を用いた光伝送システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる光変調装置、光送信器および光伝送システムは、以下の特徴を有する。図１は、この発明にかかる光変調装置の原理を説明する図である。図２は、この発明にかかる光変調装置による光出力パワーの可変機構を説明する図である。

図１に示すように、光送信器２１は、光出力駆動手段（レーザー駆動回路）２２、光出力手段（ＣＷレーザー）２３、光変調手段（外部変調器）２４、モニタ手段（パワーモニタ）２５、バイアス制御手段（自動バイアス制御演算部）２６、光変調駆動手段（変調器駆動回路）２７および振幅制御手段２８を備えている。光出力駆動手段２２は、光出力手段２３を駆動する。光出力手段２３は、光出力駆動手段２２の駆動により、一定強度の光を連続して出力する。光変調手段２４は、入力電圧対光出力特性が周期的に変化する特性（図２参照）を備え、光出力手段２３から出力される光に変調を加える。

モニタ手段２５は、光変調手段２４から出力される光信号のパワーを検出する。バイアス制御手段２６は、入力電圧対光出力特性の光出力が最小となる頂点Ｂ（図２参照）に光変調手段２４の動作点電圧を一致させるように光変調手段２４のバイアス電圧を制御する。光変調駆動手段２７は、外部から入力される変調信号に基づいて、入力電圧対光出力特性の光出力が最大となる２つの頂点の間の振幅で光変調手段２４を駆動する駆動電圧を生成する（図２参照）。

振幅制御手段２８は、比較手段（差動増幅器）２９を備えている。比較手段２９は、モニタ手段２５により検出される光信号のパワー（振幅）とその目標値（光出力目標値）を比較する。振幅制御手段２８は、比較手段２９の比較結果に基づいて、光変調手段２４から出力される光信号のパワーが光出力目標値に一致するように、光変調駆動手段２７から出力される駆動電圧の振幅を制御する。

図２において、符号３１および符号３２は、光変調手段２４に入力される駆動電圧の、それぞれ、振幅が大きい場合および小さい場合の波形である。符号３３および３４は、光変調手段２４から出力される光信号の、それぞれ、振幅が大きい場合および小さい場合の波形である。符号３５は、光変調手段２４のバイアス電圧である。

この発明によれば、比較手段により光変調手段の光出力パワーと光出力目標値を比較し、両者が一致するように、光変調手段を駆動するための光変調駆動手段の出力電圧を制御することによって、光変調手段の光出力パワーが光出力目標値に一致する。従って、光出力を可変するための光出力可変器およびその制御回路が不要となる。

本発明にかかる光変調装置によれば、光出力目標値に一致するパワーの光信号を出力するので、光出力パワーの可変機能を有する光変調装置が得られるという効果を奏する。また、本発明にかかる光送信器および光伝送システムによれば、光出力パワーの可変機能を備えた光変調装置を用いることによって、光出力可変器およびその制御回路が不要になるので、コストの削減と光送信器の小型化が可能となるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光変調装置、光送信器および光伝送システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明および添付図面において、同一の構成には、同じ符号を付して説明を省略する。

図３は、この発明の実施の形態にかかる光変調装置の一例を用いた光伝送システムを示す図である。図３に示すように、光伝送システムは、光送信器４１、光受信器６１、および光送信器４１と光受信器６１の間に敷設された光ファイバー等からなる光伝送路５１を備えている。

光送信器４１は、光出力駆動手段、光出力手段、光変調手段、モニタ手段、バイアス制御手段および光変調駆動手段として、それぞれ、レーザー駆動回路４２、ＣＷレーザー４３、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）等でできた外部変調器４４、パワーモニタ４５、自動バイアス制御演算部（ＡＢＣ演算部）４６および変調器駆動回路４７を備えている。外部変調器４４の入力端は、光ファイバー等からなる光伝送路５０を介してＣＷレーザー４３に接続されている。外部変調器４４の出力端は、前記光伝送路５１に接続されている。パワーモニタ４５は、外部変調器４４に内蔵されている。

また、光送信器４１は、振幅制御手段として、比較手段を構成する差動増幅部４９、所定の係数ｃを乗算する第１の乗算器５４、所定の値ｄを加算する第１の加算器５５、所定の係数ａを乗算する第２の乗算器５６、および所定の値ｂを加算する第２の加算器５７を備えている。これら差動増幅部４９、乗算器５４，５６および加算器５５，５７と、前記自動バイアス制御演算部４６は、自動バイアス制御用の演算処理装置（ＣＰＵやＤＳＰ）６２を構成するハードウェア、およびその演算処理装置６２がソフトウェアを実行することにより実現される。

また、光送信器４１は、Ｉ２Ｃなどの外部とのインターフェース（Ｉ／Ｆ）５３、および変調信号として外部から入力されるディジタル信号を多重化する信号多重化素子６０を備えている。さらに、光送信器４１は、アナログディジタル変換回路（Ａ／Ｄ）５２、第１のディジタルアナログ変換回路（Ｄ／Ａ）５８および第２のディジタルアナログ変換回路（Ｄ／Ａ）５９を備えている。

次に、光送信器４１における光出力パワーの可変機構について説明する。ＣＷレーザー４３は、レーザー駆動回路４２により駆動され、連続波発振し、一定強度の連続する光（直流光）を出力する。変調器駆動回路４７は、信号多重化素子６０により多重化されたディジタル信号に基づいて、外部変調器４４を駆動する。それによって、ＣＷレーザー４３の出力光に変調が加えられる。

パワーモニタ４５は、変調が加えられた光信号のパワーを検出し、光出力モニタ信号を出力する。アナログディジタル変換回路５２は、アナログ値の光出力モニタ信号をディジタル値に変換する。第１の乗算器５４および第１の加算器５５は、アナログディジタル変換回路５２の出力値に所定の係数ｃを乗算し、さらにその値にｄを加算する。この演算は、パワーモニタ４５によるモニタ値を光パワーに変換するものであり、この演算によって光出力パワーが得られる。

差動増幅部４９は、演算により得られた光出力パワーを光出力目標値と比較し、現在の光出力パワーと目標パワーとの差分を出力する。光出力目標値は、インターフェース５３を介して外部から設定される。第２の乗算器５６および第２の加算器５７は、差動増幅部４９の出力値に所定の係数ａを乗算し、さらにその値に所定の値ｂを加算する。

第２のディジタルアナログ変換回路５９は、このａの乗算とｂの加算により得られた値をアナログの電圧信号に変換し、出力振幅制御電圧として変調器駆動回路４７に供給する。変調器駆動回路４７は、第２のディジタルアナログ変換回路５９から供給される出力振幅制御電圧に基づいて、外部から光送信器４１に入力されるディジタル信号の変調振幅を決定する。ここで、係数ａは、負の値である。従って、第２の乗算器５６の出力値は、現在の光出力パワーが目標パワーよりも小さい場合に正の値となり、その逆の場合に負の値となる。

ｂの値は、光出力パワーの可変領域の丁度中心となるように調整されている。従って、出力振幅制御電圧は、現在の光出力パワーが目標パワーよりも小さい場合に、光出力パワーを大きくするような電圧値、すなわち変調器駆動回路４７から出力される変調器駆動電圧の振幅を大きくする。また、現在の光出力パワーが目標パワーよりも大きい場合には、その逆となる。

一方、自動バイアス制御演算部４６は、アナログディジタル変換回路５２の出力値に基づいてバイアス制御信号を出力する。第１のディジタルアナログ変換回路５８は、このバイアス制御信号をアナログの電圧信号に変換し、外部変調器４４のバイアス電圧として変調器駆動回路４７に供給する。それによって、変調器駆動回路４７は、図２に示す入力電圧対光出力特性の光出力が最小となる頂点Ｂに外部変調器４４の動作点電圧を一致させる。

ここで、光出力可変制御および自動バイアス制御の安定化を図るため、両制御が干渉しないようにする必要がある。特に限定しないが、例えば、光出力可変の制御ループによる振幅制御周期を自動バイアス制御周期の１００倍以上の周期とすればよい。

図４は、この発明の実施の形態にかかる光変調装置の他の例を用いた光伝送システムを示す図である。図４に示す例が、図３に示す例と異なるのは、光送信器４１に内蔵されたメモリ６３に光出力目標値が記憶されていることである。従って、差動増幅部４９には、このメモリ６３から光出力目標値が供給される。それ以外の構成は、図３に示す例と同じである。

以上説明したように、実施の形態によれば、差動増幅部４９により現在の光出力パワーと目標パワーとの差分を得、この差分に基づいて光出力パワーを目標パワーに一致させるように変調器駆動回路４７が外部変調器４４の駆動電圧を出力するので、光出力パワーの可変機能を有する光変調装置が得られる。従って、この光変調装置を用いた光出力システムでは、光出力を可変するための光出力可変器およびその制御回路が不要となり、また、自動バイアス制御用の演算処理装置（ＣＰＵ等）６２を用いて、光出力制御が可能であるので、コストの削減と光送信器の小型化が可能となる。

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、振幅制御手段をアナログ回路により構成してもよい。その場合には、アナログディジタル変換回路５２やディジタルアナログ変換回路５８，５９は、不要となる。

（付記１）デュオバイナリ変調方式で入力光に変調を加える光変調装置において、入力電圧対光出力特性が周期的に変化する特性を備えた光変調手段と、前記入力電圧対光出力特性の光出力が最大となる２つの頂点の間の振幅で前記光変調手段を駆動する駆動電圧を生成する駆動手段と、前記駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御する振幅制御手段と、前記入力電圧対光出力特性の光出力が最小となる頂点に前記光変調手段の動作点電圧を一致させるように前記光変調手段のバイアス電圧を制御するバイアス制御手段と、を備えることを特徴とする光変調装置。

（付記２）前記振幅制御手段は、前記光変調手段から出力される光信号の振幅に基づいて、前記駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする付記１に記載の光変調装置。

（付記３）前記光変調手段から出力される光信号を検出するモニタ手段と、前記モニタ手段から出力される光出力モニタ信号と該光出力モニタ信号の目標値を比較する比較手段と、をさらに備え、前記振幅制御手段は、前記比較手段の出力信号に基づいて、前記駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする付記２に記載の光変調装置。

（付記４）前記光出力モニタ信号の目標値を外部から入力するためのインターフェース、をさらに備えることを特徴とする付記３に記載の光変調装置。

（付記５）前記振幅制御手段は、前記光出力モニタ信号の目標値を記憶するメモリを有することを特徴とする付記３に記載の光変調装置。

（付記６）デュオバイナリ変調方式で変調された光信号を出力する光送信器において、一定強度の光を連続して出力する光出力手段と、前記光出力手段を駆動する光出力駆動手段と、入力電圧対光出力特性が周期的に変化する特性を備え、前記光出力手段から出力される光に変調を加える光変調手段と、前記入力電圧対光出力特性の光出力が最大となる２つの頂点の間の振幅で前記光変調手段を駆動する駆動電圧を生成する光変調駆動手段と、前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御する振幅制御手段と、前記入力電圧対光出力特性の光出力が最小となる頂点に前記光変調手段の動作点電圧を一致させるように前記光変調手段のバイアス電圧を制御するバイアス制御手段と、を備えることを特徴とする光送信器。

（付記７）前記振幅制御手段は、前記光変調手段から出力される光信号の振幅に基づいて、前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする付記６に記載の光送信器。

（付記８）前記光変調手段から出力される光信号を検出するモニタ手段と、前記モニタ手段から出力される光出力モニタ信号と該光出力モニタ信号の目標値を比較する比較手段と、をさらに備え、前記振幅制御手段は、前記比較手段の出力信号に基づいて、前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする付記７に記載の光送信器。

（付記９）前記光出力モニタ信号の目標値を外部から入力するためのインターフェース、をさらに備えることを特徴とする付記８に記載の光送信器。

（付記１０）前記振幅制御手段は、前記光出力モニタ信号の目標値を記憶するメモリを有することを特徴とする付記８に記載の光送信器。

（付記１１）デュオバイナリ変調方式で変調された光信号を伝送する光伝送システムにおいて、一定強度の光を連続して出力する光出力手段と、前記光出力手段を駆動する光出力駆動手段と、入力電圧対光出力特性が周期的に変化する特性を備え、前記光出力手段から出力される光に変調を加える光変調手段と、前記入力電圧対光出力特性の光出力が最大となる２つの頂点の間の振幅で前記光変調手段を駆動する駆動電圧を生成する光変調駆動手段と、前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御する振幅制御手段と、前記入力電圧対光出力特性の光出力が最小となる頂点に前記光変調手段の動作点電圧を一致させるように前記光変調手段のバイアス電圧を制御するバイアス制御手段と、前記光変調手段から出力される光信号を伝送する光伝送路と、前記光伝送路を介して前記光変調手段から送られてくる光信号を受け取る光受信器と、を備えることを特徴とする光伝送システム。

（付記１２）前記振幅制御手段は、前記光変調手段から出力される光信号の振幅に基づいて、前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする付記１１に記載の光伝送システム。

（付記１３）前記光変調手段から出力される光信号を検出するモニタ手段と、前記モニタ手段から出力される光出力モニタ信号と該光出力モニタ信号の目標値を比較する比較手段と、をさらに備え、前記振幅制御手段は、前記比較手段の出力信号に基づいて、前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする付記１２に記載の光伝送システム。

（付記１４）前記光出力モニタ信号の目標値を外部から入力するためのインターフェース、をさらに備えることを特徴とする付記１３に記載の光伝送システム。

（付記１５）前記振幅制御手段は、前記光出力モニタ信号の目標値を記憶するメモリを有することを特徴とする付記１３に記載の光伝送システム。

以上のように、本発明にかかる光変調装置、光送信器および光伝送システムは、幹線系等の伝送距離の長い光通信システムに有用であり、特に、デュオバイナリ方式による外部変調方式を用いた光通信システムに適している。

この発明にかかる光変調装置の原理を説明する図である。 この発明にかかる光変調装置による光出力パワーの可変機構を説明する図である。 この発明の実施の形態にかかる光変調装置の一例を用いた光伝送システムを示す図である。 この発明の実施の形態にかかる光変調装置の他の例を用いた光伝送システムを示す図である。 従来の光変調装置を用いた光出力システムの構成を示す図である。 ＮＲＺ方式における光変調装置の駆動電圧と光出力パワーの関係を説明する図である。 デュオバイナリ変調方式における光変調装置の駆動電圧と光出力パワーの関係を説明する図である。

符号の説明

２１ 光送信器
２２ 光出力駆動手段
２３ 光出力手段
２４ 光変調手段
２５ モニタ手段
２６ バイアス制御手段
２７ 光変調駆動手段
２８ 振幅制御手段
２９ 比較手段
５１ 光伝送路
５３ インターフェース
６１ 光受信器
６３ メモリ

Claims (10)

1. デュオバイナリ変調方式で入力光に変調を加える光変調装置において、
   入力電圧対光出力特性が周期的に変化する特性を備えた光変調手段と、
   前記入力電圧対光出力特性の光出力が最大となる２つの頂点の間の振幅で前記光変調手段を駆動する駆動電圧を生成する駆動手段と、
   前記駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御する振幅制御手段と、
   前記入力電圧対光出力特性の光出力が最小となる頂点に前記光変調手段の動作点電圧を一致させるように前記光変調手段のバイアス電圧を制御するバイアス制御手段と、
   を備えることを特徴とする光変調装置。
2. 前記振幅制御手段は、前記光変調手段から出力される光信号の振幅に基づいて、前記駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
3. 前記光変調手段から出力される光信号を検出するモニタ手段と、
   前記モニタ手段から出力される光出力モニタ信号と該光出力モニタ信号の目標値を比較する比較手段と、
   をさらに備え、
   前記振幅制御手段は、前記比較手段の出力信号に基づいて、前記駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする請求項２に記載の光変調装置。
4. 前記光出力モニタ信号の目標値を外部から入力するためのインターフェース、をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の光変調装置。
5. 前記振幅制御手段は、前記光出力モニタ信号の目標値を記憶するメモリを有することを特徴とする請求項３に記載の光変調装置。
6. デュオバイナリ変調方式で変調された光信号を出力する光送信器において、
   一定強度の光を連続して出力する光出力手段と、
   前記光出力手段を駆動する光出力駆動手段と、
   入力電圧対光出力特性が周期的に変化する特性を備え、前記光出力手段から出力される光に変調を加える光変調手段と、
   前記入力電圧対光出力特性の光出力が最大となる２つの頂点の間の振幅で前記光変調手段を駆動する駆動電圧を生成する光変調駆動手段と、
   前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御する振幅制御手段と、
   前記入力電圧対光出力特性の光出力が最小となる頂点に前記光変調手段の動作点電圧を一致させるように前記光変調手段のバイアス電圧を制御するバイアス制御手段と、
   を備えることを特徴とする光送信器。
7. 前記振幅制御手段は、前記光変調手段から出力される光信号の振幅に基づいて、前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする請求項６に記載の光送信器。
8. 前記光変調手段から出力される光信号を検出するモニタ手段と、
   前記モニタ手段から出力される光出力モニタ信号と該光出力モニタ信号の目標値を比較する比較手段と、
   をさらに備え、
   前記振幅制御手段は、前記比較手段の出力信号に基づいて、前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする請求項７に記載の光送信器。
9. デュオバイナリ変調方式で変調された光信号を伝送する光伝送システムにおいて、
   一定強度の光を連続して出力する光出力手段と、
   前記光出力手段を駆動する光出力駆動手段と、
   入力電圧対光出力特性が周期的に変化する特性を備え、前記光出力手段から出力される光に変調を加える光変調手段と、
   前記入力電圧対光出力特性の光出力が最大となる２つの頂点の間の振幅で前記光変調手段を駆動する駆動電圧を生成する光変調駆動手段と、
   前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御する振幅制御手段と、
   前記入力電圧対光出力特性の光出力が最小となる頂点に前記光変調手段の動作点電圧を一致させるように前記光変調手段のバイアス電圧を制御するバイアス制御手段と、
   前記光変調手段から出力される光信号を伝送する光伝送路と、
   前記光伝送路を介して前記光変調手段から送られてくる光信号を受け取る光受信器と、
   を備えることを特徴とする光伝送システム。
10. 前記振幅制御手段は、前記光変調手段から出力される光信号の振幅に基づいて、前記光変調駆動手段から出力される駆動電圧の振幅を制御することを特徴とする請求項９に記載の光伝送システム。

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