JP2009168833A - 外部変調器のバイアス回路 - Google Patents

Abstract

【課題】直流バイアスの変動の抑制を図り、かつ外部変調器とバイアス回路との接続部の小型化を図った外部変調器のバイアス回路を提供する。
【解決手段】直流バイアス手段は、前記外部変調器に最適な直流バイアス電圧を供給する調整電圧を設定する調整電圧設定手段と、直流バイアス電流を前記外部変調器に並列接続された終端抵抗に供給する定電流源を構成する制御用トランジスタと、前記調整電圧に基づく一定のバイアス電圧を、前記制御トランジスタに供給するバッファアンプとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システムに使用される外部変調器のバイアス回路に係り、特に電界吸収型の外部変調器のバイアス回路に関する。

光通信システムに適用される変調方式としては、光源からの出射光を直接変調うる直接変調方式と、光源からの出射光を外部変調器により変調する外部変調方式とが知られている。
直接変調方式の光変調部の構成例を図２に示す。

図２において、直接変調方式の変調部は、レーザダイオード（ＬＤ）３０の出力を検出するフォトダイオード（ＰＤ）３１と、フォトダイオード３１の検出出力を取り込み、該検出出力に基づいてレーザダイオード３０の順方向電流を所望の値に制御する自動出力制御（ＡＰＣ）回路３２と、入力信号に基づいてレーザダイオード３０の注入電流を変化させるレーザダイオード（ＬＤ）駆動回路３３と、信号重畳部３４とから構成されている。

上記構成からなる直接変調方式の光変調部では、自動出力制御回路３２による直流バイアス電圧と、レーザダイオード駆動回路３３からの出力信号を重畳させた信号を印加してレーザダイオード３０を駆動する。
自動出力制御回路３２は、フォトダイオード３１により検出されたレーザダイオード３０の出力を取り込み、レーザダイオード３０に印加する直流バイアス電圧を、レーザダイオード３０の順方向電流が所望の値になるように制御するとともに、レーザダイオード駆動回路３３により入力信号に基づいて前記順方向電流を変調する。この結果、レーザダイオード３０からは、レーザダイオード駆動回路３３により変調された信号光が集光レンズ３５を介し光ファイバ３６に出射される。

直接変調方式では、レーザダイオードの注入電流を変調のために変化させると、出力光の周波数も変化してしまうので、大容量長距離光ファイバ通信システムでは、外部変調方式が採用されている。
次に、外部変調方式の光変調部の構成例を図３に示す（特許文献１参照）。本例では、外部変調方式の光変調部に、電界吸収型（ＥＡ）変調器(以下、ＥＡ変調器と記す。)を用い、レーザダイオード（ＬＤ）４０ＡとＥＡ変調器４０Ｂとを集積化したＥＡ−ＬＤモジュール４０を用いている。

図３において、外部変調方式の光変調部は、レーザダイオード４０Ａの出力を検出するフォトダイオード（ＰＤ）４１と、フォトダイオード４１の検出出力を取り込み、該検出出力に基づいてレーザダイオード４０Ａの順方向電流を所望の値に制御する自動出力制御（ＡＰＣ）回路４２と、ＥＡ変調器４０Ｂ直流バイアス電圧を印加するＥＡバイアス回路４３と、入力信号に応じて電界吸収型（ＥＡ）変調器４０Ｂへの入射光を変調するＥＡ駆動回路４４とを有している。

上記構成からなる、外部変調方式の光変調器では、自動出力制御回路４２は、フォトダイオード４１により検出されたレーザダイオード４０Ａの出力を取り込み、レーザダイオード４０Ａに印加する直流バイアス電圧を、レーザダイオード４０Ａの順方向電流が所望の値になるように制御する。

また、ＥＡバイアス回路４３は、波長チャープの小さい領域でＥＡ変調器４０Ｂを動作させるための直流バイアス電圧（固定値）をＥＡ変調器４０Ｂに印加し、ＥＡ駆動回路４４は、入力信号に応じた電圧信号を信号重畳部５０に出力し、信号重畳部５０により前記入力信号に応じた電圧信号にＥＡバイアス回路４３から出力される直流バイアス電圧に重畳させて、ＥＡ変調器４０Ｂに印加する。
この結果、レーザダイオード４０Ａの出射光がＥＡ変調器４０Ｂにより変調され、その変調光が集光レンズ４５を介して光ファイバ４６に出射される。

図４に示すように、従来のＥＡ変調器４０１を駆動するＥＡ駆動回路として使用されるＥＡ駆動用ＩＣ４４は、負電源を電源とするものしか存在していなかった。そこで、ＥＡ変調器に供給する直流バイアス電圧（ＥＡバイアス電圧）は負電圧であることからＥＡ駆動用ＩＣ４４とＥＡ変調器４０１とを直結して使用することができた。なお、図４において、４００はレーザダイオード、４０２は終端抵抗である。

図４の構成に対して、ＩＣ電源を正電源のみで構成したいという要求が多く、最近では正電源を電源とするＥＡ駆動用ＩＣが製品化されている。この場合にＥＡ駆動用ＩＣは正電源を使用し、直流バイアス電圧（ＥＡバイアス電圧）は負電圧であることから図５に示すように、ＥＡ駆動用ＩＣ４５と、ＥＡ変調器４０１とを交流結合する必要がある。すなわち、ＥＡ駆動用ＩＣ４５をカップリングコンデンサＣ０を介してＥＡ変調器４０１に接続し、ＥＡ変調器４０１に直流バイアス電圧を供給する直流バイアス回路を、インダクタＬ０を介してＥＡ変調器４０１に接続する必要がある。

次に、図３におけるＥＡ−ＬＤモジュール４０の具体的構成を図６に示す。図６において、ＥＡ−ＬＤモジュール４０は、レーザダイオード４００と、ＥＡ変調器４０１と、ＥＡ変調器４０１に並列接続された終端抵抗４０２とを有している。
ＥＡ変調器４０１のカソードは接地され、ＥＡ変調器４０１のアノードはカップリングコンデンサ４０３を介して入力端子４１１に接続されるとともに、インダクタ４０４を介して入力端子４１０に接続されている。ここで、インダクタ４０４は便宜上、一つのみ示してあるが、実際には、高域用と、低域用の二つのインダクタが必要である。

上記構成において、入力端子４１０には、直流バイアス電圧が印加され、入力端子４１１には、伝送する入力信号（データ信号）である変調信号（交流的信号）が入力される。ＥＡ変調器４０１は、入力端子４１０から供給される直流バイアス電圧（負電圧）により、チャーピングが少ない領域で駆動され、カップリングコンデンサ４０３を介して入力端子４１１より入力される変調信号により駆動される。この時、終端抵抗４０２にはＥＡ変調器４０１に印加された直流バイアス電圧によりバイアス電流ＩBが、ＥＡ変調器４０１には入力端子４１１より入力される変調信号が印加されることにより吸収電流ＩAが流れ、バイアス電流ＩBは端子４１０側に、吸収電流ＩAは、端子４１１側に流れ込む。この結果、レーザダイオード４００からの出射光の光吸収量が変化し、上記入力信号により変調された変調光がＥＡ変調器４０１より出射される。
特開２００２−３１４１８７号公報

ＥＡ変調器に印加する直流バイアス電圧及び変調電圧は、直流バイアス回路及びＥＡ駆動回路の温度特性、回路素子の特性の経時変化により変動する。
ＥＡ変調器の特性例につき、図７乃至図１３を参照して説明する。図７に示すように、ＥＡ変調器に供給する直流バイアス電圧を負方向に電圧を下げると、ＥＡ変調器は光の吸収量、すなわち損失が増大し、ＥＡ変調器の光出力は低下する特性を有している。

図８は、ＥＡ変調器に印加される直流バイアス電圧とＥＡ変調器に流れる電流値との関係を示しており、ＥＡ変調器に吸収された光は、電流（吸収電流）に変換される。図９に光ファイバ通信システムの伝送特性測定系の構成を示す。同図において、光ファイバ通信システムの伝送特性測定系は、擬似ランダムパターンを発生する信号発生器２００と、ＥＡ駆動回路２０１と、直流バイアス回路２０２と、ＥＡ−ＬＤモジュール２０３と、光ファイバ（シングルモード光ファイバ）伝送路２０４と、光減衰器（Optical ATT）２０５と、受信機２０６と、誤り検出器２０７と、図示してないオシロスコープとを有している。

上記伝送特性測定系において、ＥＡ−ＬＤモジュール２０３の出力端で測定した光ファイバ伝送路２０４に伝送前の変調信号波形を図１０（Ａ）に、光減衰器（Optical ATT）２０５の入力端、すなわち光ファイバ伝送路２０４を介した伝送後の変調信号波形を図１０（Ｂ）に、夫々示す。図１０（Ｂ）に示すように、ＥＡ変調器の直流バイアス電圧を０Ｖ、−０．５Ｖ、−０．７Ｖに設定した各信号波形を比較すると、ＥＡ変調器の直流バイアス電圧の設定値により光ファイバ伝送路２０４伝送後の信号波形の劣化状況が変化することが判る。因みに、図１０（Ｂ）に示した測定例では、直流バイアス電圧を０Ｖに設定した時が、劣化状態が最も悪く、−０．７Ｖに設定した場合が劣化状態の程度が最も軽いことが判る。

また、図１１にＥＡ変調器の直流バイアス電圧とαパラメータとの関係を、総分散量に対する伝送ペナルティとの関係を図１２に、それぞれ示す。ここに、αパラメータとは、ＥＡ変調器における屈折率及び光の吸収量が変化したとき、それぞれの変化量の比で表される量をいう。また、伝送ペナルティとは、信号を光ファイバ伝送路に伝送前の受信感度と、光ファイバ伝送路に伝送後の受信感度の差をいう。図１１、図１２から明らかなように、ＥＡ変調器に印加する直流バイアス電圧が変動すると、光出力の変動が大きくなり、また光ファイバ伝送路における伝送後の信号の波形品質が変化することが判る。

図１３は、図９に示した伝送特性測定系において、誤り率検出器２０７で平均受光電力に対する符号誤り率（ＢＥＲ）を測定した結果を示している。同図において、曲線Ａは、信号が光ファイバ伝送路２０４を伝送される前の特性を示している。曲線Ｂ、Ｃ、Ｄは信号が光ファイバ伝送路２０４を伝送された後の特性をそれぞれ示し、曲線ＢはＥＡ変調器の直流バイアス電圧が−０．９Ｖのとき、曲線ＣはＥＡ変調器の直流バイアス電圧が−０．７Ｖのとき、曲線ＤはＥＡ変調器の直流バイアス電圧が−０．３Ｖのときの特性をそれぞれ示している。

図１３の各曲線から光ファイバ伝送路２０４伝送前の受信感度は−２６．６ｄＢｍ、直流バイアス電圧が−０．９Ｖのときの光ファイバ伝送路２０４伝送後における受信感度は−２６．３ｄＢｍ、直流バイアス電圧が−０．７Ｖのときのファイバ伝送路２０４伝送後における受信感度は−２５．８ｄＢｍ、直流バイアス電圧が−０．３Ｖのときのファイバ伝送路２０４伝送後における受信感度は−２４．９ｄＢｍである。これらの受信感度から、伝送ペナルティは、直流バイアス電圧が−０．９Ｖのときに０．３ｄＢ、直流バイアス電圧が−０．７Ｖのときに０．８ｄＢ、直流バイアス電圧が−０．３Ｖのときに１．７ｄＢとなり、これらＥＡ変調器の直流バイアス条件のうち、直流バイアス電圧が−０．９Ｖのときが最も伝送特性が優れていることが判る。

上述したように、ＥＡ変調器の直流バイアス条件が変動すると、ＥＡ変調器の光出力の変動が大きくなり、光ファイバ伝送路に伝送後の波形品質が大幅に変化するので、ＥＡ変調器の直流バイアスの条件の変動を抑制する必要がある。
また、ＥＡ変調器に直流バイアス電圧を印加するのにインダクタを介して供給する必要があり、特に低域信号阻止用のインダクタは部品サイズが大きくバイアス回路の接続部が物理的に大きくなるという問題が有った。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、直流バイアスの変動の抑制を図り、かつ外部変調器とバイアス回路との接続部の小型化を図った外部変調器のバイアス回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の外部変調器のバイアス回路は、光源からの出射光を入力信号に基づいて変調する外部変調器に直流バイアス電圧を供給する外部変調器のバイアス回路において、前記バイアス回路は、定電流源を含んで構成される直流バイアス手段であることを特徴とする。

また、本発明の外部変調器のバイアス回路は、前記直流バイアス手段は、前記外部変調器に最適な直流バイアス電圧を供給する調整電圧を設定する調整電圧設定手段と、直流バイアス電流を前記外部変調器に並列接続された終端抵抗に供給する定電流源を構成する制御用トランジスタと、前記調整電圧に基づく一定のバイアス電圧を、前記制御トランジスタに供給するバッファアンプとを有することを特徴とする。

上記構成の本発明の外部変調器のバイアス回路は、定電流源を含んで構成される直流バイアス手段で構成される。
また、この直流バイアス手段では、調整電圧設定手段により前記外部変調器に最適な直流バイアス電圧を供給する調整電圧が設定され、直流バイアス電流を前記外部変調器に並列接続された終端抵抗に供給する定電流源を構成する制御用トランジスタに、バッファアンプにより前記調整電圧に基づく一定のバイアス電圧が供給される。

これにより、外部変調器の前記終端抵抗には、一定の直流バイアス電流が流れ、このバイアス電流により生ずる直流バイアス電圧が外部変調器に供給される。
この結果、外部変調器としてのＥＡ変調器での直流バイアスにより生ずる吸収電流を一定に保ち、ＥＡ変調器での損失変動を軽減することができ、光出力変動の低減が図れる。
また、ＥＡ変調器から光ファイバ伝送路を介して伝送された後の信号（変調信号）の波形品質（伝送特性）の安定化が図れる。
さらに、バイアス回路を定電圧源で構成すると、ＥＡ変調器と、ＥＡ駆動回路及び直流バイアス回路を接続する接続部（バイアスＴ）の構成において、直流バイアス回路の最終段に低域信号阻止用の、部品サイズの大型なインダクタが必ず、必要になるが、本発明ではバイアス回路を定電流源で構成しているので、内部インピーダンスが高く、低域信号が流れ込むことはないので、低域信号阻止用のインダクタが不要となり、バイアスＴに要する回路面積の小型化が図れる。

以上説明したように本発明の外部変調器のバイアス回路によれば、外部変調器としてのＥＡ変調器での直流バイアスにより生ずる吸収電流を一定に保ち、ＥＡ変調器での損失変動を軽減することができ、光出力変動の低減が図れると共に、伝送特性の安定化が図れる。
さらに、低域信号阻止用のインダクタが不要となり、バイアスＴに要する回路面積の小型化が図れる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１に本発明の実施形態に係る外部変調器のバイアス回路の構成を示す。同図において、本発明の実施形態に係る外部変調器のバイアス回路は、入力部２、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）３及びＤ／Ａ変換器４からなる調整電圧設定手段と、差動増幅回路５と、バッファアンプ６と、制御トランジスタとしてのＰＮＰトランジスタＱ１とを有している。

ＥＡ−ＬＤモジュール１は、レーザダイオード１０と、ＥＡ変調器１１と、ＥＡ変調器１１の両端に並列接続された終端抵抗Ｒ１とを有している。
ＥＡ変調器１１のカソードは接地され、ＥＡ変調器１１のアノードはカップリングコンデンサＣ１を介して入力端子１００に接続されるとともに、高域信号阻止用のインダクタＬ１を介してＰＮＰトランジスタＱ１のコレクタに接続されている。入力端子１００には入力信号に応じた駆動電圧（ＡＣ：交流信号）が入力されるようになっている。
また、ＰＮＰトランジスタＱ１のエミッタは、エミッタ抵抗Ｒ８を介して電源（−５Ｖ）に接続されている。

入力部２、ＭＰＵ３及びＤ／Ａ変換器４からなる調整電圧設定手段は、ＥＡ−ＬＤモジュール１における外部変調器としてのＥＡ変調器１１に最適な直流バイアス電圧を供給するための調整電圧を設定する、直流バイアス電圧を供給する調整電圧を設定する機能を有している。調整電圧は入力端子１０１を介して差動増幅回路５に入力されるようになっている。

また、差動増幅回路５は、入力抵抗Ｒ２、Ｒ３、帰還抵抗Ｒ４、オペアンプＯＰ１と、ノイズ除去用コンデンサＣ２、Ｃ３とを有している。入力抵抗Ｒ２は、一端が入力端子１０１に接続され、他端はオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続されている。入力抵抗Ｒ３は、一端が電源（＋２．５Ｖ）に接続され、他端はＯＰ１の反転入力端子に接続されている。オペアンプＯＰ１の反転入力端子は、帰還抵抗Ｒ４を介してＯＰ１の出力端に接続されている。

また、バッファアンプ６は抵抗Ｒ５、Ｒ６と、オペアンプＯＰ２と、ノイズ除去用コンデンサＣ４、Ｃ５とを有している。オペアンプＯＰ２の出力端は、抵抗Ｒ７を介してトランジスタＱ１のベースに接続されており、オペアンプＯＰ２の反転入力端子は、トランジスタＱ１のエミッタに接続されている。
差動増幅回路５、バッファアンプ６を構成するオペアンプＯＰ１、ＯＰ２の電源は＋３．３Ｖと−５Ｖの２つの電源により駆動される。

上記構成において、調整電圧を設定するためのデータを入力部２より入力し、外部変調器であるＥＡ変調器１１の光出力を測定器によりモニタしながら、最終的に最適なバイアス電圧がＥＡ変調器１１の両端に印加されるように調整電圧を入力端子１０１に設定する。
入力部２により最終的に決定された調整電圧を設定するためのデータが入力され、ＭＰＵ３が入力データを読み込み、演算処理して入力データに対応する調整電圧データをＤ／Ａ変換器４に出力する。Ｄ／Ａ変換器４で調整電圧データはアナログの調整電圧に変換され、入力端子１０１に印加される。

差動増幅回路５には、入力端子１０１から入力抵抗Ｒ２を介して入力された、最終的に決定された調整電圧(固定電圧）がオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に入力され、一定の電源電圧（＋２．５Ｖ）がオペアンプＯＰ１の反転入力端子に入力される。この結果、差動増幅回路５では、最終的に決定された調整電圧と一定の電源電圧（＋２．５Ｖ）の差電圧が抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値により決まるゲインで増幅され、バッファアンプ６に出力される。

バッファアンプ６では、抵抗Ｒ５を介して調整電圧と電源電圧（＋２、５Ｖ）の差に比例した増幅出力電圧がオペアンプＯＰ２の非反転入力端子に入力され、かつ電源電圧（−５Ｖ）が抵抗Ｒ６を介してオペアンプＯＰ２の非反転入力端子に入力される。この結果、差動増幅回路５の出力電圧と電源電圧（−５Ｖ）とが加算された一定電圧がトランジスタＱ１のエミッタに印加され、トランジスタＱ１は定電流駆動される。

この結果、ＥＡ−ＬＤモジュール１のＥＡ変調器１１に並列接続された終端抵抗Ｒ１には、高域信号阻止用のインダクタＬ１、トランジスタＱ１、エミッタ抵抗Ｒ８を介して一定の直流バイアス電流が流れる。これにより、終端抵抗Ｒ１の両端間には一定の直流バイアス電圧が発生し、この直流バイアス電圧がＥＡ変調器１１の両端に印加される。

この結果、外部変調器としてのＥＡ変調器での直流バイアスにより生ずる吸収電流を一定に保ち、ＥＡ変調器での損失変動を軽減することができ、光出力変動の低減が図れる。
また、ＥＡ変調器から光ファイバ伝送路を介して伝送された後の信号（変調信号）の波形品質（伝送特性）の安定化が図れる。

さらに、バイアス回路を定電圧源で構成すると、ＥＡ変調器と、ＥＡ駆動回路及び直流バイアス回路を接続する接続部（バイアスＴ）の構成において、直流バイアス回路の最終段に低域信号阻止用の、部品サイズの大型なインダクタが必ず、必要になるが、本発明ではバイアス回路を定電流源で構成しているので、内部インピーダンスが高く、低域信号が流れ込むことはないので、低域信号阻止用のインダクタが不要となり、バイアスＴに要する回路面積の小型化が図れる。

本発明の実施形態に係るＥＡ変調器のバイアス回路の構成を示す回路図。 レーザ出力の直接変調方式における駆動回路の構成を示すブロック図。 レーザ出力の外部変調方式における駆動回路の構成を示すブロック図。 ＥＡ変調器とＥＡ駆動用ＩＣとの接続関係の一例を示す説明図。 ＥＡ変調器とＥＡ駆動用ＩＣとの接続関係の他の例を示す説明図。 図３におけるＥＡ−ＬＤモジュールの具体的構成を示す回路図。 直流バイアス電圧に対するＥＡ変調器の光出力特性を示す特性図。 直流バイアス電圧に対するＥＡ変調器の電流特性を示す特性図。 光ファイバ通信システムの伝送特性測定系を示すブロック図。 図９における変調信号の光ファイバ伝送路伝送前の波形と、ＥＡ変調器の直流バイアス電圧を変化させたときの変調信号の光ファイバ伝送路伝送後の波形とを示す波形図。 ＥＡ変調器の直流バイアス電圧に対するαパラメータとの関係を示す特性図。 ＥＡ変調器の直流バイアス電圧を変化させたときの総分散量に対する伝送ペナルティとの関係を示す特性図。 図９に示した光ファイバ通信システムの伝送特性測定系において測定した平均受光電力に対する符号誤り率の特性を示す特性図。

符号の説明

１…ＥＡ−ＬＤモジュール、２…入力部、３…ＭＰＵ、４…Ｄ／Ａ変換器、５…差動増幅回路、６…バッファアンプ、１０…レーザダイオード、１１…ＥＡ変調器、Ｒ１〜Ｒ８抵抗、Ｌ１…インダクタ、Ｃ１…カップリングコンデンサ、Ｃ２〜Ｃ５…ノイズ除去用コンデンサ、ＯＰ１、ＯＰ２…オペアンプ、１００、１０１…入力端子、Ｑ１…制御用トランジスタ

Claims (2)

1. 光源からの出射光を入力信号に基づいて変調する外部変調器に直流バイアス電圧を供給する外部変調器のバイアス回路において、
   前記バイアス回路は、定電流源を含んで構成される直流バイアス手段であることを特徴とする外部変調器のバイアス回路。
2. 前記直流バイアス手段は、
   前記外部変調器に最適な直流バイアス電圧を供給する調整電圧を設定する調整電圧設定手段と、
   直流バイアス電流を前記外部変調器に並列接続された終端抵抗に供給する定電流源を構成する制御用トランジスタと、
   前記調整電圧に基づく一定のバイアス電圧を、前記制御トランジスタに供給するバッファアンプと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の外部変調器のバイアス回路。

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