JP2001257645A

JP2001257645A - 自己最適化ｒｆ入力ドライバを含む光変調器

Info

Publication number: JP2001257645A
Application number: JP2001026225A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mizuhara; ミズハラオサム; Paul David Yeates; ディビッドイーテスポール
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2001-09-21
Also published as: EP1130817A2; EP1130817A3

Abstract

(57)【要約】【課題】ＲＦ入力ドライブ信号の振幅すなわちドライ
バ回路の利得を自己最適化する手段を備える光変調器【解決手段】本発明による光変調器は、入力データ信
号と関連するＲＦドライブ信号の振幅（ドライバ回路の
利得）を最適化するためのフィードバック回路を備え
る。低振幅かつ低周波のディザー信号が入力信号内に組
み込まれ、これは、データ出力上の包絡として現れる。
ＲＦ増幅器が適正なドライブ振幅をもつ場合は、ディザ
ー信号は光出力上には現れない。ＲＦ増幅器がアンダー
ドライブされている場合（振幅が低すぎる場合）、もし
くはＲＦ増幅器がオーバードライブされている場合（振
幅が高すぎる場合）は、ディザー信号が光出力信号上に
包絡として現れる。光出力の一部が取り出され、フィー
ドバック回路への入力として用いられ、回復されたディ
ザー信号と入力参照ディザー信号が比較される。より具
体的には、回復されたディザー信号の振幅および位相が
入力参照ディザー信号のそれと比較され、この差を用い
て、ＲＦ増幅器に加えられる利得がディザー信号が出力
信号から消失するまで調節される。

Description

【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、より詳細
には、光変調器への最適ＲＦドライブ入力レベルを維持
するためのフィードバック制御配列に関する。

【０００２】

【従来の技術】光デバイス、例えば、レーザに対する変
調方式は、大まかに、２つのカテゴリ、つまり：（１）
レーザに加えられるバイアス電流自身が電気データ信号
によって変調される直接変調；あるいは（２）レーザへ
のバイアス電流は一定に保たれ、レーザからの一定な光
出力が電気データ信号によって変調され、これによって
光出力データ信号が提供される間接（外部）変調に分類
される。直接変調は、高々10GB/sまでのデータレートを
用いる短距離用途に対して最も良く適する。他の用途、
例えば、光LANSおよび他の長距離システム対しては外部
変調が好ましい。

【０００３】光信号の外部変調を達成するためには、一
般的には、光干渉器、例えば、マッハ−ツェンダー（Ma
chュZehnder）干渉計が用いられる。レーザからの一定な
光出力は干渉計の光入力導波路に結合される。干渉計の
電気入力には、電気データ信号が加えられ、光出力は電
気入力のデータパターンを複製する。より詳細には、光
出力信号は、バルク光学材、例えば、ニオブ酸リチュウ
ム内に形成された２つの導波路間に分割される。加えら
れた電気データ信号はバルク材の表面に形成された電極
に結合される。これら電極上のデータ信号は光信号をサ
ポートする導波路近傍の電場を変化させる。電場の存在
は、各導波路の光路長を変化させ、結果として、これら
２つの導波路に沿って伝搬する光信号の間には位相差が
生じる。この位相差を正しく制御することで、２つの光
信号を、干渉計から、完全に同相（例えば、論理"１"を
示す）にて、あるいは、位相がずれて（例えば、論理"
０"を示す）にて出力させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】理論的には、外部変調
は、直接変調と関連する周波数チャーピング問題に対す
る理想的な解決を提供するように見える。ただし、干渉
計の長期安定性には疑問が残る。干渉計の特性、とりわ
け、その伝達関数（つまり、加えられる電圧の関数とし
ての光出力）は、時間、温度、および様々な他のパラメ
ータの関数としてドリフトすることが知られている。伝
達曲線の任意のドリフトは、必然的に、バイアス点電圧
を移動させ、結果として、出力光データ信号内に誤りを
導入する。他の環境要因が、干渉計に入力電気データ信
号を加えるために用いられるドライブ回路に影響を及ぼ
すことも知られている。

【０００５】外部光変調器の性能を向上させるための一
つの従来の技術による技法が、1993年5月4日付けでMュL
Kaoらに交付された"ModulatorュBased Lighwave Transmi
tter"なる名称の合衆国特許第5,208,817号において開示
されている。開示される送信機は、"自動バイアス制御
（ABC）"回路を備え、この自動バイアス制御（ABC）回
路を用いて、マッハ−ツェンダー干渉計にDCバイアス電
圧とディザー信号の両方が供給される。自動バイアス制
御（ABC）回路内に設けられた検出配列を用いて、ディ
ザー信号の位相と（光出力信号から生成される）電気出
力信号の位相が比較され、この位相差を用いて、加えら
れるDCバイアス電圧のレベルが制御される。

【０００６】Kaoらの構成は、DCバイアス電圧を修正す
る点では有効であるが、ただし、まだ、入力データ信号
（ＲＦ入力）の振幅の変動の結果として光出力信号内に
誤りが導入される可能性が残される。

【０００７】従って、当分野においては、光変調器配列
におけるＲＦドライブ信号の振幅を自己修正するための
（手段に対する）必要性が残される。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、光変調器、よ
り詳細には、光変調器への最適ＲＦドライブ入力レベル
を維持するためのフィードバック制御配列に関する。

【０００９】本発明によると、低周波かつ低振幅のディ
ザー信号が、ドライブ入力として増幅器を通して光変調
器に加えられる電気データ信号（ＲＦ信号）上に付加さ
れる。ＲＦドライブ信号が最適化された場合は、ディザ
ー信号は"無効信号（null signal"として現れ、変調器
からの光出力には影響を与えない。ＲＦドライブ信号が
低すぎる場合（つまり、光入力が"アンダードライブ（u
nderdriven）"されている場合）、あるいは、高すぎる
場合（つまり、"オーバドライブ（overdriven）"されて
いる場合）は、ディザー信号の振幅が大きくなり、光出
力信号上に包絡として現れる（また、オーバドライブさ
れている場合は、回復されたディザー信号の位相は元の
ディザー信号の位相と１８０°ずれる）。このため、回
復されたディザー信号の振幅および位相を調べること
で、ＲＦドライブ信号に対する適当な修正を確保するこ
とが可能となる。フィードバックループを用いて、ディ
ザー信号の振幅および位相の両方が回復され、ＲＦドラ
イブ誤り修正信号が形成され、これをＲＦドライブ回路
にフィードバックすることで、ＲＦドライブ信号の振幅
が制御される。

【００１０】本発明の一つの実施例においては、フィー
ドバックループにはアナログ回路が用いられる。代替と
して、デジタルコントローラもしくはデジタル信号プロ
セッサ（DSP）を用いることもできる。デジタルコント
ローラを用いる場合は、入力信号を（帯域通過もしくは
ノッチフィルタを用いて）プリコンディショニング（前
処理）し、ディザー信号を処理のために分離することが
必要となる。

【００１１】本発明の他のおよびさらなる特徴が、以下
の詳細な説明を付録の図面を参照しながら読むことで一
層明らかとなるものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に従って形成される光変調
器に対する自己最適化ＲＦドライブ入力の動作をより良
く理解するためには、従来の光変調器の動作について復
習しておくことが有益である。図１には、一例としての
従来の技術による光変調器１０が示され、これは、バル
ク光デバイス１２、例えば、マッハ−シェンダ干渉計を
備える。後に説明するように、干渉計１２は、入力とし
てDC光信号と電気データ信号Ｅを受信し、データ信号を
用いて、光信号を変調することで、出力として光データ
信号Ｏを提供する。図１に示すように、入力光信号は、
導波路１４（これは、ファイバ、バルク光デバイスの表
面上に形成された導波路、あるいはこの両方の組合せか
ら成る）を介して干渉計１２内に結合される。当分野に
おいて周知のように、干渉計１２内にはペアの光導波路
およびその表面上に形成された関連する電極（図示せ
ず）が含まれる。これら電極に電気信号を加えると、干
渉計１２内の導波特性が変化し、こうして、光出力信号
に影響を及ぼす。より詳細には、光出力信号が電気入力
データ信号の形状を追跡し、電気入力データ信号内の１
と０の本質的に誤りのない光再生ができるように、加え
られる電気DCバイアス信号１６が制御される。

【００１３】図１に示すように、電気データ信号Ｅは、
最初、ＲＦ増幅器１８に通され、次に、入力として干渉
計１２に加えられる。この従来の技術による配列におい
ては、ＲＦ増幅器１８への利得制御入力２０は、初期テ
ストフェーズの際に、デバイスの最適性能が得られるよ
うに調節される。つまり、入力データ信号がオーバドラ
イブもアンダードライブもされなように初期増幅器利得
が設定される。

【００１４】この従来の技術による配列の問題点は、増
幅器の利得を長期に渡って適正なレベルに維持するため
の手段が存在しないことである。より詳細には、環境の
変化、ドライブ信号の変化、増幅器の劣化、その他が全
て、利得の"ドリフト（drift）"に寄与する。利得のド
リフトの結果、光出力がスキューイングされ、"１"と"
０"との間の閾値がぼけ、出力データ流内に誤りが導入
されることとなる。

【００１５】図２は、この残された問題を、光出力とＲ
Ｆ増幅器との間にディザー信号およびフィードバックル
ープを導入することで解決する、本発明による自己最適
化光変調器３０を示す。従来の技術のそれと本質的に同
一の要素は、図１の実現と同一の参照符号にて示され
る。図２に示すように、電気入力データ信号Ｅは、最
初、増幅器１８に通される。従来の技術と同様に、利得
が、利得入力２０を通じて増幅器１８に加えられる。本
発明によると、増幅された電気信号は、次に、入力とし
て第二の増幅器３２に加えられる。この第二の増幅器３
２には、第二の入力として、発振器３４からの低周波か
つ低振幅のディザー信号Ｄが加えられ、こうして、出力
として、ディザー信号包絡を含む増幅されたデータ信号
が形成される。従来と同様に、この電気信号は、入力と
して干渉計１２に加えられ、干渉計１２を、DCュバスア
スすることで、電気データ入力信号Ｅ内に存在するデー
タパターンを複製する光信号出力Ｏが提供される。

【００１６】本発明においては、ＲＦ利得制御が、干渉
計１２からの出力導波路３８内に、光タップ配列３６を
組み込むことで達成される。図示するように、低帯域幅
光ダイオード４０を用いて、光出力信号の一部が捕捉さ
れ、これが電気表現に変換される。この電気信号は、そ
の後、増幅器４２に通され、次に、帯域通過フィルタ４
４内でフィルタリングすることで、出力信号のデータ部
分が除去され、図２においてＤ’として示されるディザ
ー信号（包絡）が回復される。次に、回復されたディザ
ー信号Ｄ’と元の参照ディザー信号Ｄが、入力として、
比較器回路４６に加えられる。比較器回路４６は、回復
されたディザー信号Ｄ”の振幅、周波数および位相を、
元の参照ディザー信号Ｄと比較する。次に、図３〜１２
との関連で後により詳細に説明するように、これら信号
の間の差を用いて、ＲＦドライブ増幅器１８の利得制御
入力２０に加えられる利得修正量が決定される。比較器
回路４６には、比較を遂行する能力をもつ単純なアナロ
グ回路を用いることも、デジタルコントローラを用いる
ことも、あるいは、デジタル信号プロセッサ（DSP）を
用いることもできる。デジタルコントローラが用いる場
合は、その入力の所に、出力信号のディザー部分を分離
し、これを処理するために帯域通過および／あるいはノ
ッチフィルタが必要となる。デジタル信号プロセッサ
（DSP）を用いる場合は、プリコンディショニング（前
処理）フィルタは、高速フーリエ変換（FFT）およびデ
ジタルフィルタにて置換することができ、これらは全て
ソフトウエアにて実現することができる。

【００１７】図３は、光変調器の伝達関数および（ディ
ザリングされた）電気入力信号と光出力信号との間の関
係を示す。図３において、電気入力信号が図の下部に示
され、低振幅かつ低周波のディザー信号Ｄは、図示する
ように、高速データ信号Ｅに対するディザー包絡を形成
する。干渉計１２に対する伝達関数Ｔは、例えば、論
理"０"と論理"１"の極の間で遷移するゆるやかな正弦曲
線として示され、この伝達関数の中央は２つの論理レベ
ル間の閾値と一致する。光出力Ｏは、こうして、図３に
示すような形状を持ち、この光出力はディザー信号と関
連する包絡を維持する。

【００１８】ＲＦドライブが最適レベルより小さな場合
（"アンダードライブ"の場合）は、光出力上のディザー
信号の振幅は大きくなり、回復されるディザー信号Ｄ’
の位相は元の参照ディザー信号Ｄと一致する。図４は、
アンダードライブの場合の光出力信号Ｏと、ディザー周
波数f₀における電力を示す。図５には、アンダードライ
ブの場合の光"アイダイアグラム（eye diagram）"が示
される。図５から明らかなように、これは相対的に"閉
じた（closed）アイを持つ。この狭いアイは、出力信号
内の論理"０"と論理"１"との間の判定に誤りを導入する
原因となる。図６には、入力参照ディザー信号Ｄと、回
復されたディザー信号Ｄ’との間の比較が示される。図
６から明らかなように、回復されたディザー信号Ｄ’
は、振幅が相対的に大きく、位相は入力参照ディザー信
号Ｄと一致する。（図２に示す）変調器３０の比較回路
４６は、この情報（回復されたディザー信号の振幅が"
大きく"、位相が同相であること）を用いて、ＲＦ増幅
器１８がアンダードライブ状態にあることを決定し、こ
のため、増幅器１８に加えられる利得ｇを最適なドライ
ブ信号の振幅が得られるまで（回復されたディザー信号
の振幅が"零"になるまで）増加する。

【００１９】図７は、ＲＦ増幅器１８の利得が高すぎる
場合（増幅器がオーバドライブの場合）の光出力信号を
示す。アンダードライブの場合と同様に、光出力上のデ
ィザー包絡の振幅は相対的に大きくなる。ただし、アン
ダードライブの場合とは対照的に、オーバドライブして
いる増幅器１８は、入力参照ディザー信号とは位相が１
８０°ずれた出力ディザー信号を与える。図８には、オ
ーバドライブの場合の光"アイダイアグラム"が示され
る。図８から明らかなように、出力信号は所望の判定閾
値を越えてオーバーシュートし、アイも相対的に閉じて
いる（この結果として論理"０"状態と論理"1"状態との
間の閾値判定誤りが発生する）。図９には、回復された
ディザー信号Ｄ’と入力参照ディザーＤとの比較が示さ
れる。図９から明らかなように、この２つの信号の間に
は１８０°の位相のシフトが存在する。比較回路４６
は、この情報（回復されたディザー信号の振幅が"大き
く"、位相は１８０°ずれていること）を用いて、ＲＦ
増幅器１８が入力データ信号Ｅをオーバードライブして
いることを確認し、このため、増幅器１８に加えられる
利得ｇを最適なドライブ状態に達するまで低減する。

【００２０】図１０〜１２は、ＲＦ増幅器１８に対す
る"最適（optimum）"状態を示す。図１０は、ＲＦ増幅
器１８に加えられる利得が適正レベルである場合（つま
り、増幅器１８がアンダードライブもオーバドライブも
してない場合）の光出力信号Ｏを示す。図からわかるよ
うに、ＲＦ増幅器の振幅と加えられたディザーとの結合
は、変調器の伝達関数をぴったりと追跡するために、出
力信号上に顕著な包絡は認められない。図１１には、こ
の場合に対する典型的な光"アイダイアグラム"が示され
るが、これは、図面からわかるように非常に開いたアイ
を持ち、論理"１"レベルと論理"０"レベルとの間の正確
な閾値判定が可能となる。図１２は、回復されたディザ
ー信号Ｄ’と入力参照ディザー信号Ｄの両方を示すが、
図から明らかなように出力上には顕著なディザー信号は
認められない。

【００２１】上述のように、変調器３０への様々な環境
的な変化の結果、干渉計１２の伝達関数および／あるい
はＲＦ増幅器１８の特性は時間とともに変化する。本発
明によるＲＦ増幅器フィードバック配列は、ＲＦドライ
ブ振幅が最適値からシフトし、増幅器がアンダードライ
ブあるいはオーバドライブされると、これをすみやかに
認識し、増幅器１８に加えられる利得に必要な修正を加
える。こうして、本発明によるフィードバック配列は、
増幅器が最適な状態からドリフトすると（つまり、増幅
器がアンダードライブあるいはオーバードライブされた
状態となると）、比較回路４６が回復されたディザー信
号の振幅および位相特性の変化を認識し、これに従って
ＲＦ増幅器の利得信号を調節するという点で自己最適化
能力を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】一例としての従来の技術による光変調器を示す
図である。

【図２】本発明によるＲＦドライブ入力を自己最適化す
るためのディザー回路を備える一例としての光変調器を
示す図である。

【図３】光変調器の伝達関数のグラフを示す。同時にデ
ィザー信号が高速データ信号に対する包絡として存在す
る様子を示す図である。

【図４】"アンダードライブ"の場合に対する（ディザー
信号を含む）光出力を示す図である。

【図５】アンダードライブの場合に対する光"アイダイ
ヤグラム"を示す図である。

【図６】アンダードライブの場合に対する回復されたデ
ィザー信号と入力参照ディザー信号との比較のグラフを
示す図である。

【図７】"オーバードライブ"の場合に対する（ディザー
信号を含む）光出力を示す図である。

【図８】オーバードライブの場合に対する光"アイダイ
ヤグラム"を示す図である。

【図９】オーバードライブの場合に対する回復されたデ
ィザー信号と入力参照ディザー信号との比較のグラフを
示す図である。

【図１０】ＲＦドライブ信号の振幅が最適である場合に
対する（ディザー信号を含む）光出力を示す図である。

【図１１】ＲＦドライブ信号の振幅が最適である場合に
対する光"アイダイヤグラム"を示す図である。

【図１２】ＲＦドライブ信号の振幅が最適である場合に
対する本質的に平坦な回復されたディザー信号と入力参
照ディザー信号との比較のグラフを示す図である。

【符号の説明】

１２光変調器（干渉計）２０利得入力３２増幅器３４発振器３０自己最適化光変調器３６光タップ配列４０光検出器４２増幅器４４帯域通過フィルタ４６信号プロセッサ（比較器）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｂ 10/142 (72)発明者ポールディビッドイーテスアメリカ合衆国 18011 ペンシルヴァニア，ロングスワンプタウンシップ，タワーロード 994

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部変調光送信機であって、本質的に一定な光出力信号を生成するようにバイアスさ
れた送信光デバイス；電気データ信号、利得制御信号、
および所定の周波数f₀の入力参照ディザー信号に応答し
て、入力参照ディザー信号に対応する包絡をもつ増幅さ
れた電気データ信号を生成するＲＦ増幅器配列；本質的
に一定な光出力信号、増幅された電気データ信号および
DC電気バイアス信号に応答して、電気データ信号を複製
する光出力信号を生成する光干渉計；および前記干渉計
の出力と前記ＲＦ増幅器の利得制御入力との間に結合さ
れたＲＦ増幅器利得フィードバック回路であって、前記
光出力信号内に存在するディザー信号を回復し、回復さ
れたディザー信号を前記入力参照ディザー信号と比較
し、前記ＲＦ増幅器に加えられる利得を、前記回復され
たディザー信号の位相と前記入力参照ディザー信号の位
相との比較に基づいて調節するようなＲＦ増振器利得フ
ィードバック回路を含むことを特徴とする外部変調光送
信機。
【請求項２】前記入力参照ディザー信号が、低周波か
つ低振幅の信号から成ることを特徴とする請求項１記載
の外部変調光送信機。
【請求項３】前記ＲＦ増幅器利得フィードバック回路
が、前記回復されたディザー信号が前記入力参照ディザ
ー信号と同相である場合は、前記ＲＦ増幅器に加えられ
る利得を増加することを特徴とする請求項１記載の外部
変調光送信機。
【請求項４】前記ＲＦ増幅器利得フィードバック回路
が、前記回復されたディザー信号の位相が前記入力参照
ディザー信号と１８０°ずれる場合は、前記ＲＦ増幅器
に加えられる利得を低減することを特徴とする請求項１
記載の外部変調光送信機。
【請求項５】前記ＲＦ増幅器が、別個の入力として電
気データ信号と利得信号を受け、出力として増幅された
電気データ信号を生成する第一の増幅器段；所定の周波
数f₀の入力参照ディザー信号を生成する発振器；および
別個の入力として増幅された電気データ信号と入力参照
ディザー信号を受け、出力として、干渉計に入力として
加えられるディザリングされ、増幅された電気データ信
号を生成する第二の増幅器段を備えることを特徴とする
請求項１記載の外部変調光送信機。
【請求項６】前記ＲＦ増幅器利得フィードバック回路
が光出力信号の所定の部分を取り出す光タップ；取り出
された光出力信号をそれを表す電気信号に変換する光検
出器；前記光出力信号の電気表現から出力データ信号を
除去し、ディザー信号を回復するためのフィルタ；およ
び回復されたディザー信号と入力参照ディザー信号の両
方に応答して、回復されたディザー信号と入力参照ディ
ザー信号との間の位相の差に基づいて利得修正信号を生
成するための比較器回路を備えることを特徴とする請求
項１記載の外部変調光送信機。
【請求項７】前記比較器回路が、前記回復されたディ
ザー信号が前記入力参照ディザー信号と同相である場合
は、前記ＲＦ増幅器に加えられる利得を増加することを
特徴とする請求項１記載の外部変調光送信機。
【請求項８】前記比較器回路が、前記回復されたディ
ザー信号の位相が前記入力参照ディザー信号と１８０°
ずれる場合は、前記ＲＦ増幅器に加えられる利得を低減
することを特徴とする請求項１記載の外部変調光送信
機。
【請求項９】前記比較器回路がアナログ回路から成る
ことを特徴とする請求項６記載の外部変調光送信機。
【請求項１０】前記比較器回路がデジタルコントロー
ラ回路から成ることを特徴とする請求項６記載の外部変
調光送信機。
【請求項１１】前記比較器回路がデジタル信号プロセ
ッサ回路から成ることを特徴とする請求項６記載の外部
変調光送信機。