JP5040944B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、マッハツェンダー型光導波路を有するマッハツェンダー型光変調部（以下、「ＭＺ型光変調部」という。）を２つ備え、メイン・マッハツェンダー型光導波路の各分岐導波路に各ＭＺ型光変調部を組み込んだ光変調器に関する。さらに、このような光変調器に印加されるＤＣバイアスのバイアス制御に関する。

通信トラフィックの増大に伴い、高速・大容量化が求められる次世代長距離大容量光通信システムでは、多値変復調符号化技術の導入が検討されている。その代表的なものの一つに差動四相位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ変調，Differential Quadrature Phase Shift keying）方式がある。この方式は、従来の２値強度変調（ＯＯＫ）方式と比べ、信号帯域が狭く、周波数利用効率の向上や伝送距離の拡大が実現できるほか、高感度化も期待できるため、次世代の４０Ｇｂ／ｓシステムや１００Ｇｂ／ｓシステムに適用が期待される次世代のキー・テクノロジーである。

まず、四相位相偏移変調（ＱＰＳＫ変調，Quadrature Phase Shift keying）方式は、２ビットのデータから構成される各シンボル「００」，「０１」，「１１」及び「１０」に対して、「θ」，「θ＋π／２」，「θ＋π」及び「θ＋３π／２」が割り当てられる。その原理は、まず、Ｉ（In-phase）アームのＭＺ変調部で「θ」，「θ＋π」を生成し、Ｑ（Quadrature）アームのＭＺ変調部では、同様の位相変調を行った後に９０度の位相シフトを与え、「θ＋π／２」，「θ＋３π／２」を生成するものである。ここで、「θ」は任意の位相である。そして、受信器は、受信信号の位相を検出することにより、送信データを再生する。

ＱＰＳＫ変調方式を比較的容易に実現する手段として、ＤＱＰＳＫ変調方式があり、ＤＱＰＳＫ変調では、先に送信したシンボルの値と次に送信するシンボルの値との間の搬送波の位相変化量（「０」,「π／２」，「π」及び「３π／２」）が送信情報の２ビットに対応付けられる。したがって、受信器は、隣接する２つのシンボル間の位相差を検出することにより、送信データを再生することができる。

ＤＱＰＳＫ変調方式を利用する光送信器の一例としては、図１に示すように、１つのマッハツェンダー型光導波路１（以下、「メイン・マッハツェンダー型光導波路」という。）の２つの分岐導波路１２，１３に、マッハツェンダー型光導波路を有するマッハツェンダー型光変調部（以下、「ＭＺ型光変調部」という。）２，３を組み込み、少なくとも一方の分岐導波路には、９０度の位相シフトを行う光位相調整部４がＭＺ型光変調部に直列に配置されている。なお、符号１０は入力用導波路、符号１１は分岐部、符号１４は合波部、符号１５は出力用導波路を示す。

例えば、２つのＭＺ型光変調部２，３には、同じ変調信号が変調信号駆動手段５により印加され、ＭＺ型光変調部２でＩアームに相当する変調を行い、ＭＺ型光変調部３及び光位相調整部４により、Ｑアームに相当する変調が行われる。

ＭＺ型光変調部を構成する光導波路やメイン・マッハツェンダー型光導波路では、長時間の電界印加や温度変化などにより、光導波路を構成する基板内に分極現象が発生し、光変調部の変調曲線がシフトするなどのドリフト現象が生じる。

ＭＺ型光変調部２，３や光位相調整部４には、直流バイアス印加手段２１，３１，４１により、所定の直流バイアス（ＤＣバイアス）が印加されているが、ドリフト現象により、このＤＣバイアスの値を最適な状態に制御することが必要となる。例えば、ＤＱＰＳＫ変調方式では、ＭＺ型光変調部２，３において、位相がπシフトするいわゆるＶπを最適バイアスとして変調を行う必要がある。また、光位相調整部４では、９０度の位相シフト量になるように最適なバイアス制御が必要になる。

特許文献１又は２に示すように、ＤＱＰＳＫ変調方式を用いた光変調器を始め、各種の光変調器において、ＤＣバイアスを最適値に維持する方法として、低周波信号を重畳する方式が採用されている。さらに、特許文献３には、複数の光変調部を有する場合には、異なる周波数の低周波信号を利用することが開示されている。

図１に示す光変調器では、低周波信号発生手段２２から周波数ｆ１の低周波信号が直流バイアス印加手段２１のＤＣバイアスに重畳され、ＭＺ型光変調部２に印加されている。メイン・マッハツェンダー型光導波路１の出力用導波路１５から出力される信号光の一部を、光カプラーなどの分岐手段１６を用いて取り出し、受光素子などの光・電気変換手段（受光検知手段）６で信号光に対応する電気信号に変換する。そして、電気信号中の周波数ｆ１に対応する成分のみをフィルター２５で抽出し、直流バイアス制御手段２４に入力される。

直流バイアス制御手段２４では、直流バイアス印加手段２１を制御し、ＤＣバイアス値を変化させると共に、光・電気変換手段６からフィルター２５を経て入力される電気信号の変化状態から最適なＤＣバイアス値を決定するよう制御を行う。

ＭＺ型光変調部３や光位相調整部４に対するＤＣバイアス制御についても、低周波信号発生手段３２，４２、直流バイアス印加手段３１，４１、直流バイアス制御手段３４，４４、フィルター３５，４５などを用いて、同様に制御される。なお、ＭＺ型光変調部３に関しては周波数ｆ２の低周波信号が、光位相調整部４に関しては周波数ｆ３の低周波信号が利用され、これらの周波数ｆ２、ｆ３は上記周波数ｆ１と異なる周波数が利用される。例えば、図２に示すように、周波数ｆ１として３ｋＨｚ、周波数ｆ２として７ｋＨｚ、周波数ｆ３として１０ｋＨｚが利用される。

ＤＱＰＳＫ変調方式のＩアーム制御、Ｑアーム制御、９０度位相シフト部などのように、直流バイアスを調整する箇所が複数存在する場合には、各々異なる低周波発振器が必要となる上、それらの３種類の制御の手順が複雑化し、ハード規模も大きくなるという問題がある。また、特許文献２では、時分割で制御を行う旨が記載されているが、収束が遅くなり、ファームウェアを必要とし、ハード規模が大きくなるという欠点があった。

特許３７２３３５８号公報 特開２００７−４３６３８号公報 特開２００４−３１８０５２号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、ＤＱＰＳＫ変調器などの、複数のＭＺ型光変調部など、直流バイアスを調整する箇所が複数存在する光変調器に対して、ハード規模が小さくできるバイアス制御回路を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、マッハツェンダー（ＭＺ）型光導波路を有するＭＺ型光変調部を２つ備え、メイン・マッハツェンダー型光導波路の各分岐導波路に各ＭＺ型光変調部を組み込んだ光変調器において、各ＭＺ型光変調部にＤＣバイアスを印加するＤＣバイアス印加手段と、各ＤＣバイアスに低周波信号を重畳する低周波信号重畳手段と、該光変調器からの出力光又は放射光の一部を受光検知する受光検知手段と、該受光検知手段の出力に基づき該ＤＣバイアス印加手段の各々を制御するバイアス制御手段とを備え、各ＭＺ型光変調部に印加されるＤＣバイアスに重畳する低周波信号は、同一周波数かつ位相差が９０度となる三角波であることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光変調器において、該バイアス制御手段は、該受光検知手段から出力される電気信号を、該三角波の規定周波数の偶数次数に対応するフィルタを透過させ、該透過した電気信号に基づき制御することを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調器において、光位相調整部が該分岐導波路の一方に組み込まれており、該光位相調整部には正弦波を重畳したＤＣバイアスが印加されることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調器において、光位相調整部が該分岐導波路の各々に組み込まれており、各光位相調整部には、該ＭＺ型光変調部に係る三角波と異なる周波数かつ位相差が９０度となる三角波が重畳されたＤＣバイアスが印加されることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、該光変調器は、ＤＱＰＳＫ変調を行う光送信器であり、各分岐導波路は、ＩアームとＱアームの各々の機能を有することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、マッハツェンダー（ＭＺ）型光導波路を有するＭＺ型光変調部を２つ備え、メイン・マッハツェンダー型光導波路の各分岐導波路に各ＭＺ型光変調部を組み込んだ光変調器において、各ＭＺ型光変調部にＤＣバイアスを印加するＤＣバイアス印加手段と、各ＤＣバイアスに低周波信号を重畳する低周波信号重畳手段と、該光変調器からの出力光又は放射光の一部を受光検知する受光検知手段と、該受光検知手段の出力に基づき該ＤＣバイアス印加手段の各々を制御するバイアス制御手段とを備え、各ＭＺ型光変調部に印加されるＤＣバイアスに重畳する低周波信号は、同一周波数かつ位相差が９０度となる三角波であるため、単一の周波数で２つのＭＺ型光変調部に係るＤＣバイアスを制御でき、バイアス制御回路のハード規模が小さくできる光変調器を提供することが可能となる。

請求項２に係る発明により、バイアス制御手段は、受光検知手段から出力される電気信号を、三角波の規定周波数の偶数次数に対応するフィルタを透過させ、該透過した電気信号に基づき制御するため、受光検知手段の出力信号の形状をより正確に識別でき、例えば、いずれのＭＺ型光変調部のＤＣバイアスが劣化しているかまでも判断し、ＤＣバイアス制御することが可能となる。ここで透過するフィルタの帯域は、三角波の規定周波数の偶数次数の周波数を考慮した設定値とする。

請求項３に係る発明により、光位相調整部がメイン・マッハツェンダー型光導波路の分岐導波路の一方に組み込まれており、該光位相調整部には正弦波を重畳したＤＣバイアスが印加されるため、２つのＭＺ型光変調部のバイアス変動については、三角波を用いて検出し、光位相調整部のバイアス変動については、正弦波を用いて検出することが可能であるため、各々のＤＣバイアスを最適に制御することができる。

請求項４に係る発明により、光位相調整部がメイン・マッハツェンダー型光導波路の分岐導波路の各々に組み込まれており、各光位相調整部には、ＭＺ型光変調部に係る三角波と異なる周波数かつ位相差が９０度となる三角波が重畳されたＤＣバイアスが印加されるため、２つのＭＺ型光変調部のバイアス変動については、ＭＺ型光変調部に係る三角波を用いて検出し、２つの光位相調整部のバイアス変動については、光位相調整部に係る異なる周波数の三角波を用いて検出することが可能であるため、各々のＤＣバイアスを最適に制御することができる。

請求項５に係る発明により、光変調器は、ＤＱＰＳＫ変調を行う光送信器であり、メイン・マッハツェンダー型光導波路の各分岐導波路は、ＩアームとＱアームの各々の機能を有するため、ＤＱＰＳＫ変調方式に利用される光変調器においても、バイアス制御回路のハード規模が小さくできる光変調器を提供することが可能となる。

光変調器における従来のバイアス制御回路の構成を説明する図である。 図１の光変調器のバイアス制御回路に利用される低周波信号の一例を示す図である。 本発明の光変調器におけるバイアス制御回路の一例を示す図である。 本発明の光変調器に係るバイアス制御の原理について説明する図（その１）である。 本発明の光変調器に係るバイアス制御の原理について説明する図（その２）である。 本発明の光変調器に係るバイアス制御の原理について説明する図（その３）である。 図３の光変調器のバイアス制御回路に利用される低周波信号の例を示す図である。 本発明の光変調器に係るバイアス制御回路の計算モデルを示す図である。 図８に示す計算モデルを利用した計算結果を示すグラフである。 図９のグラフをｔ／Ｔ＝０．６２５の値で規格化したグラフである。 台形波形と三角波との関係を示す図である。 本発明の光変調器に係るバイアス制御回路における変動要因を説明する図である。 正弦波の変動に対するサンプリングの様子を示す図である。 ＤＣバイアス制御における収束状態をＩ／Ｑ平面での軌跡で示した図である。 光変調器のバイアス特性と図１４の各領域（Ｄ，Ｅ）との関係を示す図である。 本発明の光変調器に係るバイアス制御回路に用いられる制御フローの一例を示す図である。 図１６の制御フローで制御した場合のバイアス点の軌跡を示す図である。 図１０に示すグラフをフーリエ変換する際に利用される波形の例を示す図である。 本発明の光変調器におけるバイアス制御回路の他の例を示す図である。 本発明の光変調器において、メイン・マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路に光位相調整部を設けた場合のバイアス制御の原理について説明する図（その１）である。 本発明の光変調器において、メイン・マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路に光位相調整部を設けた場合のバイアス制御の原理について説明する図（その２）である。 図１９の光変調器のバイアス制御回路に利用される低周波信号の例を示す図である。

以下、本発明に係る光変調器を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図３に示すように、マッハツェンダー（ＭＺ）型光導波路を有するＭＺ型光変調部（２，３）を２つ備え、メイン・マッハツェンダー型光導波路（１）の各分岐導波路（１２，１３）に各ＭＺ型光変調部を組み込んだ光変調器において、各ＭＺ型光変調部にＤＣバイアスを印加するＤＣバイアス印加手段（１２１，１３１）と、各ＤＣバイアスに低周波信号を重畳する低周波信号重畳手段（１２２，１２３，１３２，１３３）と、該光変調器からの出力光又は放射光の一部を受光検知する受光検知手段（６）と、該受光検知手段の出力に基づき該ＤＣバイアス印加手段の各々を制御するバイアス制御手段（１２４，１３４）とを備え、各ＭＺ型光変調部に印加されるＤＣバイアスに重畳する低周波信号は、同一周波数かつ位相差が９０度となる三角波（ｆ１，ｆ１＋π／２）であることを特徴とする。

図３は、ＤＱＰＳＫ変調方式の光送信器に利用される光変調器を例示しているが、本発明は、これに限らず、例えば、各分岐導波路（１２，１３）にＭＺ型光変調部（２，３）のみを設ける場合や、用途もＳＳＢ（Single Side band）変調器など種々の光変調器に適用することが可能である。また、図１の従来例と同様の符号を使用しているものは、同じ機能部品を意味する。以下では、ＤＱＰＳＫ変調方式の光変調器を中心に説明する。例えば、２つのＭＺ型光変調部２，３には、同じ変調信号が変調信号駆動手段５により印加され、ＭＺ型光変調部２でＩアームに相当する変調を行い、ＭＺ型光変調部３及び９０度位相シフトを行う光位相調整部４により、Ｑアームに相当する変調が行われる。

図３の光変調器では、低周波信号発生手段１２２（１３２）から発生される周波数ｆ１の三角波（周波数ｆ１で位相が９０度異なる三角波）が、直流バイアス印加手段１２１（１３１）が供給するＤＣバイアスに、重畳手段１２３（１３３）で重畳され、ＭＺ型光変調部２（３）に印加される。メイン・マッハツェンダー型光導波路１の出力用導波路１５から出力される信号光の一部を、光カプラーなどの分岐手段１６を用いて取り出し、受光素子などの受光検知手段（光・電気変換手段）６で信号光に対応する電気信号に変換する。そして、電気信号中の周波数ｆ１に対応する成分のみをフィルター１２５で抽出し、直流バイアス制御手段１２４（１３４）に入力する。受光検知手段６は、信号光の一部を検出するだけでなく、必要に応じ、合波部１４から放出される放射光を検知することも可能である。

直流バイアス制御手段１２４（１３４）では、受光検知手段６からフィルター１２５（周波数ｆ１及びその偶数次数の信号を透過させるフィルター）を経て入力される電気信号に基づき、最適なＤＣバイアスとなるように、直流バイアス印加手段１２１（１３１）を制御する。図３では、直流バイアス制御手段を各ＭＺ型光変調部に対応して設けているが、１つの制御手段に統合することも可能である。

Ｑアームで９０度位相シフトを行う光位相調整部４に対しては、従来のバイアス制御回路と同様に、低周波信号発生手段１４２から正弦波の低周波（周波数ｆ２で三角波の周波数と異なるよう設定する）を、直流バイアス印加手段１４１からのＤＣバイアスに、重畳手段１４３により重畳し、光位相調整部４に印加する。そして、信号光の一部を受光検知手段６で検知し電気信号を出力する。該電気信号は、周波数ｆ２の透過フィルター１４５を経て、直流バイアス制御手段１４４に入力される。直流バイアス制御手段１４４は、入力される電気信号に基づき、最適なＤＣバイアスとなるように直流バイアス印加手段１４１を制御する。

以下では、直流バイアス制御手段１２４（１３４）で行われる、低周波信号に三角波を用いてＤＣバイアス状態を識別する方法について説明する。

本発明の光変調器の特徴は、図３に示すように、Ｉアーム、Ｑアームを構成する各ＭＺ型光変調部に対し、お互いに同期して９０度位相が異なる三角波をＤＣバイアスに重畳して印加している。このことにより、図４〜６に示すように、Ｉアームに印加される低周波信号による光強度変化を横軸に、Ｑアームに印加される低周波信号による光強度変化を縦軸にとると、重畳信号の軌跡がダイヤモンド型Ａとなる。光強度はベクトルＢの長さの二乗に比例している。

また、図４（ａ）のようにＩアームとＱアームに正常なバイアスが設定されている場合には、光強度を示すベクトルＢは、Ａで示すダイヤモンド型の軌跡を描く。この際の光強度変化とＩアームに重畳される三角波との関係を図４（ｂ）に示す。光強度変化は、図４（ｂ）のグラフ（１）に示すような時間応答波形（光変調器から出力される光強度Ｅの時間変化）となり、波形の上辺が時間軸にほぼ平行な台形波形（なお、図４（ｂ）のグラフ（１）では台形波形の両肩の盛り上がりが強調されている。参考までに、後述する図１０に理論状の波形を図示している。）を描く。

図４（ｂ）のグラフ（２）は、図３に示すＩアームに印加されるＤＣバイアス強度Ｆの時間変化、特に、重畳される低周波信号（三角波）部分に対応した波形を示している。

図５（ａ）や図６（ａ）のように、ＩアームとＱアームに印加されるＤＣバイアスが不均衡になると、ＩアームとＱアームに重畳される三角波によるダイヤモンド型の軌跡Ａは、図４（ａ）に示す正常な位置より外れることとなる。そして、光強度変化の様子を見ると、台形波形がくずれ、例えば、図５（ｂ）のように右肩下がり（左肩上がり）や、図６（ｂ）のように右肩上がりの非対称な台形波形（なお、図５（ｂ）及び図６（ｂ）のグラフ（１）では台形波形が直線状で表現されているが、図１０に理論状の波形を図示するように、実際は台形の両肩が若干盛り上がる波形となる。）となる。しかも、いずれ側の肩が上がっているかにより、Ｉアーム又はＱアームのいずれのバイアスのずれであるのかが識別できる。これは、時間軸で見たものであるが、後述するように周波数軸（位相）でも識別可能である。

ただし、図５（ａ）及び図６（ａ）は、ＤＣバイアスが不均衡となる様子を分かり易く説明するため、ＤＣバイアスが規定値より大きくなる場合を例示している。このためＩアームのＤＣバイアスが大きくなった場合は、右肩下がり（左肩上がり）となったが、後述するように、ＤＣバイアスを規定値より大きくならないように制御する場合には、ＩアームのＤＣバイアスが不均衡となる状態とは、ＤＣバイアスが規定値より小さくなる場合と意味し、その際の光強度変化は、図５（ｂ）とは逆の右肩上がり（図６（ｂ）と同様の形状）となる。Ｑアームについても同様である。

図７は、図３の光変調器に利用される低周波信号の一例を示したものであり、ＭＺ型光変調部に印加される三角波の周波数ｆ１は、５ｋＨｚが利用され、光位相調整部に印加される正弦波の周波数ｆ２は、３ｋＨｚが例示されている。三角波の重畳において、周波数軸で識別するには、偶数次数の周波数、特に２倍波（２＊ｆ１）をモニタすることで、偶数次数の中で最大の信号振幅が得られるので、都合がよい。

次に、ダイヤモンド軌跡を描く場合の応答波形について、図８に示す計算モデルを利用して理論的に検証する。座標点（Ｅｘ，Ｅｙ）を取り囲むダイヤモンド軌跡を、Ｘ−Ｙ座標系の関数ｆ（ｘ）、ｆ（ｙ）で表現すると、以下の［数１］に示す数式のようになる。ただし、Ａは三角波の振幅値であり、Ｔは三角波の周期、ｔは経過時間を示す。

座標Ｐ＝（ｆ（ｘ），ｆ（ｙ））の振幅（受光検知手段が検知する周波数ｆ１の光強度に相当）は、以下の［数２］に示す数式により求められる。

時間ｔが０〜１．２５Ｔまでの区間で、上記［数２］の数式の値を求めると、以下の［数３］の数式のようになる。

ここで、（Ａ，Ｅｘ，Ｅｙ）＝（0.01，1.0，1.0）のＤＣバイアスが正常な場合、（Ａ，Ｅｘ，Ｅｙ）＝（0.01，0.99，1.0）、（0.01，0.97，1.0）、（0.01，0.95，1.0）のようにＸ軸側（Ｉアームに相当）のＤＣバイアスのみが劣化した場合について、上記［数３］の数式を計算した結果を、図９に示す。

図９を見ると、座標点（Ｅｘ，Ｅｙ）が変化するため、振幅値のレベルがケース毎に異なる、所謂、オフセットが発生しているが、応答波形は、ほぼ台形波形となっていることが容易に理解される。ここで、各波形の違いをより明確にするため、図１０のように、オフセットを引き算して、重ね書きを行った。つまり、規格化時間ｔ／Ｔ＝０．６２５で全てのグラフの振幅値が一致するよう調整した。図１０を見ると、Ｘ軸側のＤＣバイアスが劣化するに従い、グラフの傾斜が大きくなることが容易に理解される。しかも、この傾斜は、規格化時間ｔ／Ｔが０．５から０．７５の範囲（上記［数３］の条件（３）の範囲）で生じている。

図１０の結果から、Ｉアーム側のＭＺ型光変調部のＤＣバイアスが劣化した場合（Ｅｘの減少に相当する場合を意味し、これはＩアームのＭＺ型光変調部からの出力光のレベルが規定値より低くなることを意味する。）には、右肩上がりの非対称な台形波形となることが容易に理解される。他方、Ｑアーム側のＭＺ型光変調部のＤＣバイアスが劣化した場合（Ｅｙの減少に相当する場合を意味し、これはＱアームのＭＺ型光変調部からの出力光のレベルが規定値より低くなることを意味する。）には、右肩下がり（左肩上がり）の非対称な台形波形となる。ただし、ＥｘとＥｙの値が共に１以上となることが無いよう（ＤＣバイアスが規定値内に収まるように）制御することが好ましい。

図１０のように、Ｉ及びＱアームに重畳される三角波により台形型の応答波形が形成される様子と三角波との関係を図１１に示す。台形波形の上辺は、Ｉアームに重畳される三角波の頂点（パルス幅規格化時間の０．５）とＱアームに重畳される三角波の頂点（同時間の０．７５）との間に形成される。そして、ＩアームのＤＣバイアスが劣化し、規定値より低くなっている場合には、符号Ｃに示すように上辺の傾きが右肩上がりとなり、Ｉアーム側を補正すべきと判断される。

他方、ＱアームのＤＣバイアスが劣化し、規定値より低くなっている場合には、符号Ｃに示すように上辺の傾きが右肩下がりとなり、Ｑアーム側を補正すべきと判断される。

したがって、台形型の応答波形をサンプリングする方法については、図１１に示すように、パルス幅規格化時間における０．５と０．７５時点の振幅（光強度値）をモニタすることで、Ｉアームの劣化およびＱアームの劣化の識別が可能である。しかも、このサンプリング時間は、重畳する２つの三角波の丁度頂点に達する時刻であるため、三角波と同期させてモニタする手段も有効である。なお、パルス幅規格化時間の０〜０．２５（１．０〜１．２５）は、台形波形の底辺に相当する期間であるが、この期間においても、上述した上辺と同様に辺の傾きを生じる（図５（ｂ）又は図６（ｂ）参照）。ただし、傾きの方向は上辺と逆の関係であり、サンプリング時間は、重畳する２つの三角波の底点で行うこととなる。

信号光の光強度変化に影響を与える要素として、ＭＺ型光変調部のバイアス変動だけでなく、光位相調整部のバイアス変動があるが、図１２に示すように、Ｉアーム又はＱアームのＭＺ型光変調部のバイアス変動は、座標点（黒丸で示した点）がＸ軸又はＹ軸のいずれかに沿って変化するが、光位相調整部のバイアス変動は、原点と座標点と距離を半径とする円周に沿って変化する。光位相調整部のバイアスに重畳する信号として三角波を利用する場合には、例えば、図２２に示すように、ＭＺ型光変調部のバイアスに重畳される三角波の周波数ｆ１（３０ｋＨｚ）近辺のＩアーム及びＱアームに干渉しない帯域を用いる。このほか、光位相調整部のＤＣバイアス制御には、低周波数の正弦波を利用することも有効であり、ＤＣバイアスに重畳されて利用される。このような正弦波を用いるサンプリング方法においては、図１３に示すように、最大値と最小値を逐次サンプリングで求め、それらの差分により、正弦波の振幅を求めることになる。

本発明のように、三角波を利用して、光強度変化の傾きにより、ＩアームやＱアームのように、制御すべき光変調部を特定するためには、光強度をモニタすることにより、より正確なＤＣバイアス制御が可能となる。

光強度のパラメータを考慮した制御を行う場合には、図１４に示すＩ／Ｑ平面におけるＤ領域に、初期バイアス点αがある場合、Ｉアーム、Ｑアームを独立に制御すると、図中の軌跡aのように、最適バイアス点に向かう。しかしながら、光強度の絶対値を考慮しない制御を行うと、ＩアームとＱアームの振幅が最大となる最適バイアス点ではなく、図中の軌跡ｂのように、単にＩアームとＱアームの大きさが等しい任意の点に向かう制御となる。

さらに、Ｅ領域に初期バイアス点βがあると、図中の軌跡ｃ又は軌跡ｄのような経緯をたどり、ＩアームとＱアームの大きさが等しい点に向かう制御となる。これは、図１５に示す、光変調器のバイアス特性に起因しており、Ｖπ／２電圧が、図１４のＤ領域とＥ領域を分ける電圧となっている。

一例として、本方式を利用したＤＣバイアス制御のフローチャートを、図１６に示す。まず、図１６のステップ（１）では、台形波形の上辺の傾き（Ｖ_balance）を、上述したパルス幅規格化時間０．５時点の振幅（Ｖ(ｔ＝0.50））と同時間０．７５時点の振幅（Ｖ(ｔ＝0.75））をサンプリングデータから抽出し、両者を比較して判定する。図１１のように、右肩上がりの台形波形であればＩアーム劣化と判定し、右肩下がりの台形波形であればＱアーム劣化と判定する。

次に、Iアームの劣化と判定された場合には、ステップ（２）により、Iアームのバイアス電圧をΔＶ（予め設定された所定電圧値）だけ増加させる。そして、ステップ（３）で、所定電圧ΔＶだけバイアス電圧を変化させる前のサンプリングデータの傾きを（Ｖ_balance＿ｎ）とすると、所定電圧ΔＶだけバイアス電圧を変化させた後のサンプリングデータ（Ｖ_balance＿ｎ＋１）を比較する。その結果、ΔＶの変化により光強度値が増加している場合には、ステップ（２）に戻り、再度所定電圧ΔＶだけ増加し、サンプリングデータ（Ｖ_balance＿ｎ）と（Ｖ_balance＿ｎ＋１）の変化状態をステップ（３）で判断する。

これを繰り返して、Ｉアームのバイアス電圧を変化させて、光強度値がこれ以上増加しない状態、つまり、Ｉアームのバイアス電圧の変化による光強度値の最大値に達した際には、ステップ（３）の判定が「Ｎｏ」となり、ステップ（４）に移動する。

ステップ（４）では、Ｑアームのバイアス電圧を所定電圧ΔＶだけ増加させる。そして、ステップ（５）で、Ｉアームのステップ（３）と同様に、所定電圧ΔＶだけバイアス電圧を変化させる前のサンプリングデータ（Ｖ_balance＿ｎ）と、所定電圧ΔＶだけバイアス電圧を変化させた後のサンプリングデータ（Ｖ_balance＿ｎ＋１）とを比較する。その結果、ΔＶの変化によりＶ_balanceが減少している場合には、さらにバイアス電圧を増加させるため、ステップ（４）に戻り、再度、所定電圧ΔＶだけ増加し、同様にＶ_balanceのサンプリングデータの変化状態をステップ（５）で判断する。

これを繰り返して、Ｑアームのバイアス電圧を変化させて、Ｖ_balance(t=0.75)のサンプリングデータ値がこれ以上増加しない状態、つまり、Ｑアームのバイアス電圧の変化による（Ｖ_balance＿ｎ＋１）＝（Ｖ_balance＿ｎ）の値に達した際には、ステップ（５）の判定が「Ｎｏ」となる。

このＤＣバイアス制御の様子をＩ／Ｑ平面図で示すと、図１７の初期バイアス点δが、上述したステップ（２）及び（３）で、Ｉアーム軸と平行な方向に移動し、その後、ステップ（４）及び（５）で、Ｑアーム軸と平行な方向に移動し、最終的に最適バイアス点εに到達する。

次に、図１６のステップ（１）でＱアーム劣化と判定された場合には、ステップ（６）及び（７）を繰り返して、Ｑアームのバイアス電圧を最大のＶ_balanceの最大の傾き（負値）となるよう設定する。そして、ステップ（７）で（Ｖ_balance＿ｎ＋１）＝（Ｖ_balance＿ｎ）に達すると、「Ｎｏ」と判定にて、ステップ（８）及び（９）のフローへ移り、Ｉアームのバイアス電圧の調整を行う。そして、Ｉアームのバイアス電圧の変化による（Ｖ_balance＿ｎ＋１）＝（Ｖ_balance＿ｎ）に達した際には、ステップ（９）の判定が「Ｎｏ」となり、ＤＣバイアス制御は終了する。その結果、図１７のＩ／Ｑ平面図に示すように、初期バイアス点γは、図示した矢印に沿って移動し、最終的に最適バイアス点εに到達する。

図１６で例示したＤＣバイアス制御のフローにおいての最適バイアス点は、Ｉアーム又はＱアームの各アームにおけるバイアス変化を、ＳＴＥＰ２からＳＴＥＰ５までのＶ_balanceのサンプリングデータを比較した結果（ＳＴＥＰ６からＳＴＥＰ９までの制御も同様）より、台形波形の上辺の傾きを常に平行に保つような逐次制御を行う。

以上、説明したように、受光検知手段からの出力信号を時間軸で見た場合に、台形波形の変化からＤＣバイアスの変化を識別できるが、さらに、三角波の重畳による応答波形（光強度変化）が、予め、トップが傾いた台形波形であることが分かっているため、周波数領域（周波数軸）での解析も可能である。

周波数軸での解析を行うため、図１８（ａ）に示す台形波形のフーリエ変換と、図１８（ｂ）に示す方形波でトップが傾いた波形のフーリエ変換を行った。

台形波形のフーリエ変換を、以下の［数４］に示す。なお、Ｔは台形波形の周期、Ｔｒは台形波形の立ち上がり又は立ち下がりの時間幅を示す。

上記［数４］に示す数式から、台形波形は、sinc関数を周波数成分の大きさとする１，３，５・・・の高調波成分になるが、台形の立ち上がり部分が、同じく、sinc関数として付加され、高次成分の大きさが低減することがわかる。フーリエ変換後に得られるパラメータは、周波数のスペクトル強度であり、通常（正常）制御時は、周波数の１次，３次の奇数次が高いレベルになって現れる。逆に２次，４次などの偶数次が現れると波形劣化の現象になって現れるため、周波数のスペクトル強度をモニタすることにより、波形劣化を判別することが可能となる。

次に、方形波でトップが傾いた波形のフーリエ変換を用いた場合について、説明する。この波形の場合、奇関数とも偶関数とも言えないので、フーリエ級数展開は、かなり煩雑になるため、図１８（ｂ）に示すように、方形波でトップが傾いた波形のフーリエ変換を用いる。このフーリエ変換を行った数式を以下の［数５］に示す。ただし、Ｔは方形波の周期、τは方形波のパルス幅を示す。

上記［数５］に示した数式により、ｆ（ｔ）の第３項に出現するＴ×ａの値を利用して、方形波の周波数成分に埋もれずに傾き成分であるａが検出できる。しかも、ａの符号により、上記Ｔ×ａ成分が反転するため、符号識別も可能である。また、奇数次又は偶数次の周波数のスペクトル強度をモニタすることにより、周波数軸での識別と制御が可能なことがわかる。

次に、図１９に示すように、ＤＱＰＳＫ変調方式の光変調器における９０度位相シフト部を、メイン・マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路（１２，１３）の各々に設けられた光位相調整部（７，４）で構成する場合について、説明する。

図１９のＭＺ型光変調部に係るバイアス制御回路は、図３の光変調器と同様であり、説明は省略する。図１９の光変調器の特徴は、９０度位相シフト部を２つの光位相調整部（４，７）で構成することであり、かつ、該光位相調整部に印加されるＤＣバイアスの制御に、ＭＺ型光変調部と同様に三角波の低周波信号を用いた点にある。

各光位相調整部（４，７）は４５度位相シフトを行い、両者が相俟って、９０度の位相シフトが実現されるよう構成されている。光位相調整部のＤＣバイアス制御の方法は、低周波信号発生手段１４２（１７２）から発生される周波数ｆ２の三角波（周波数ｆ２で位相が９０度異なる三角波）が、直流バイアス印加手段１４１（１７１）が供給するＤＣバイアスに、重畳手段１４３（１７３）で重畳され、光位相調整部４（７）に印加される。ただし、周波数ｆ２は、ＭＺ型光変調部で利用される周波数ｆ１とは異なる周波数である。

メイン・マッハツェンダー型光導波路１の出力用導波路１５から出力される信号光の一部を、光カプラーなどの分岐手段１６を用いて取り出し、受光素子などの受光検知手段６で信号光に対応する電気信号に変換する。そして、電気信号中の周波数ｆ２に対応する成分のみをフィルター１４５で抽出し、直流バイアス制御手段１４４（１７４）に入力する。

直流バイアス制御手段１４４（１７４）では、受光検知手段６からフィルター１４５（周波数ｆ２及びその偶数次数の信号を透過させるフィルター）を経て入力される電気信号に基づき、最適なＤＣバイアスとなるように、直流バイアス印加手段１４１（１７１）を制御する。図１９では、直流バイアス制御手段を各ＭＺ型光変調部や各光位相調整部に対応して設けているが、１つの制御手段に統合することも可能である。

ＩアームとＱアームの双方に４５度シフト部となる光位相調整部を設け、各光位相調整部に三角波を重畳したＤＣバイアスを印加した場合には、図２０及び２１に示すように、ＭＺ型光変調部の場合と同様に、ダイヤモンド軌跡Ａが得られる。そして、その応答波形も台形波形となる。図２０（ａ）及び（ｃ）は、Ｉアームに印加される低周波信号に対応した光強度変化を横軸に、Ｑアームに印加される低周波信号に対応した光強度変化を縦軸にとると、重畳信号の軌跡がダイヤモンド型Ａとなる様子を示したものである。

また、図２０（ａ）のようにＩアームとＱアームに正常なバイアスが設定されている場合には、図２０（ｂ）に示すように、時間応答波形（縦軸は、光変調器から出力される光強度の時間変化を示し、横軸は時間軸を示す。）は上辺が時間軸に略平行な台形波形（実際は、台形の両肩が若干盛り上がる波形となる。）となる。しかし、図２１（ａ）のように、位相シフト差が９０度から変化すると、図２１（ｂ）のように、応答波形は非対称の台形波形となり、ＭＺ型光変調部のＤＣバイアス制御と同様に、時間軸での識別・制御と、周波数軸での識別・制御が可能になる。特に、位相変調部に印加する低周波信号の周波数をＭＺ型光変調部に印加する低周波信号の約１０倍に設定し、２つの異なる低周波信号が互いに干渉しない周波数とすることが好ましい。具体的には、ＭＺ型光変調部のモニタ周波数は１０ＫＨｚ以下の周波数とし、位相変調部は１００ＫＨｚ以下の周波数とし、高次の周波数をモニタする際に影響を受けないエリアに設定する。

図２２は、図１９の光変調器に利用される低周波信号の一例を示したものであり、ＭＺ型光変調部に印加される三角波の周波数ｆ１は、３０ｋＨｚが利用され、光位相調整部に印加される三角波の周波数ｆ２は、３ｋＨｚが例示されている。三角波の重畳において、周波数軸で識別するには、ＩアームやＱアームのＭＺ型光変調部のバイアス制御用には、３０ＫＨｚの三角波を用い、２倍周波数の６０ＫＨｚをモニタし制御を行う。また、光位相調整部（９０度シフト）のバイアス制御用には、３ＫＨｚの三角波を用い、２倍周波数の６ＫＨｚをモニタし制御を行う。

以上説明したように、本発明によれば、ＤＱＰＳＫ変調器などの、複数のＭＺ型光変調部など、直流バイアスを調整する箇所が複数存在する光変調器に対して、ハード規模が小さくできるバイアス制御回路を提供することが可能となる。

１ メイン・マッハツェンダー型光導波路
２，３ ＭＺ型光変調部
４，７ 光位相調整部
５ 変調信号駆動手段
６ 受光検知手段（光・電気変換手段）
１０ 入力用導波路
１１ 分岐部
１２，１３ 分岐導波路
１４ 合波部
１５ 出力用導波路
１６ 分岐手段
２１，３１，４１，１２１，１３１，１４１，１７１ 直流バイアス印加手段
２２，３２，４２，１４２ 正弦波の低周波信号発生手段
２３，３３，４３，１２３，１３３，１４３，１７３ 重畳手段
２４，３４，４４，１２４，１３４，１４４，１７４ 直流バイアス制御手段
２５，３５，４５，１２５，１４５ 特定周波数の電気信号を通過させるフィルター
１２２，１３２，１４２，１７２ 三角波の低周波信号発生手段

Claims (5)

1. マッハツェンダー（ＭＺ）型光導波路を有するＭＺ型光変調部を２つ備え、メイン・マッハツェンダー型光導波路の各分岐導波路に各ＭＺ型光変調部を組み込んだ光変調器において、
   各ＭＺ型光変調部にＤＣバイアスを印加するＤＣバイアス印加手段と、
   各ＤＣバイアスに低周波信号を重畳する低周波信号重畳手段と、
   該光変調器からの出力光又は放射光の一部を受光検知する受光検知手段と、
   該受光検知手段の出力に基づき該ＤＣバイアス印加手段の各々を制御するバイアス制御手段とを備え、
   各ＭＺ型光変調部に印加されるＤＣバイアスに重畳する低周波信号は、同一周波数かつ位相差が９０度となる三角波であることを特徴とする光変調器。
2. 請求項１に記載の光変調器において、該バイアス制御手段は、該受光検知手段から出力される電気信号を、該三角波の規定周波数の偶数次数に対応するフィルタを透過させ、該透過した電気信号に基づき制御することを特徴とする光変調器。
3. 請求項１又は２に記載の光変調器において、光位相調整部が該分岐導波路の一方に組み込まれており、該光位相調整部には正弦波を重畳したＤＣバイアスが印加されることを特徴とする光変調器。
4. 請求項１又は２に記載の光変調器において、光位相調整部が該分岐導波路の各々に組み込まれており、各光位相調整部には、該ＭＺ型光変調部に係る三角波と異なる周波数かつ位相差が９０度となる三角波が重畳されたＤＣバイアスが印加されることを特徴とする光変調器。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、該光変調器は、ＤＱＰＳＫ変調を行う光送信器であり、各分岐導波路は、ＩアームとＱアームの各々の機能を有することを特徴とする光変調器。

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