JP2011022479A - 多値光送信器 - Google Patents

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Abstract

【課題】2電極MZ変調器を用いた多値変調を実行する場合に、DCバイアスを安定化制御することにより、光伝送信号品質を安定化させることができる多値光送信器を得る。
【解決手段】入力データ系列に応じて設定される第1変調データおよび第2変調データをD/A変換して第1多値信号および第2多値信号をそれぞれ生成するD/Aコンバータ11a、11bと、第1多値信号および第2多値信号に応じて光源13からの光をそれぞれ変調する位相変調器14a、14bを含み、位相変調器14aからの光信号と位相変調器14bからの光信号とを合成して、光多値信号を出力する2電極MZ変調器14と、光多値信号の平均パワーを検出する光出力パワーモニタ16と、平均パワーが最大となるように、2電極MZ変調器14に対するDCバイアスを制御するDCバイアス制御手段とを備える。
【選択図】図1

Description

この発明は、電気信号を光信号に変換して送信する多値光送信器に関する。
波長多重(WDM:Wavelength Division Multiplex)光通信システムの大容量化を実現するには、1波長あたりの伝送レートを上げることが有用である。ここで、変調方式を変えることなく光伝送路に送出するシンボルレートを上げた場合には、許容残留分散量がシンボルレートの2乗に反比例するので、光伝送路の波長分散耐力が低下するという問題があった。また、電気信号処理を高速に実行することが必要となり、アナログ電気部品のコストが増加するという問題もあった。
そのため、近年では、シンボルレートを上げることなく、1シンボルあたりの信号多重度を上げることで、システムの大容量化を実現するための研究が盛んに行われている。
信号多重度を上げる方式として、例えば、1シンボルに2値(多重度2)を割り当てることで伝送容量を2倍にするQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)方式や、1シンボルに4値(多重度4)を割り当てることで伝送容量を4倍にする16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)方式、16APSK(Amplitude Phase Shift Keying)方式等の多値変調方式が知られている。
通常、これらの多値変調を実行する場合には、光変調器としてI/Q変調器が用いられる。I/Q変調器は、直交する光電界成分(Iチャンネル、Qチャンネル)を独立して生成可能な光変調器であり、マッハツェンダー(MZ:Mach−Zehnder)変調器を並列接続した特殊な構成をとるものである。
例えば、QPSKを実行する場合には、MZ変調器を2個並列に接続したDual Parallel MZ変調器(DPMZM:Dual Parallel MZ Modulator)が用いられる(例えば、特許文献1参照)。
また、16QAMを実行する場合には、DPMZMや、DPMZMをさらに2個並列に接続したQuad Parallel MZ変調器(QPMZM:Quad Parallel MZ Modulator)が用いられる(例えば、非特許文献1参照)。
ここで、特許文献1および非特許文献1の何れの変調器を用いる場合であっても、MZ変調器の数が増えることによって、コストが増加するとともに、バイアス制御箇所が増加するという問題点があった。
そこで、位相変調器を2個並列に接続した2電極MZ変調器(DDMZM:Dual Drive MZM)を用いて多値変調を実現することが考えられている(例えば、非特許文献2、非特許文献3参照)。
2電極MZ変調器は、プッシュプル型光変調器として、通常の光送受信器に広く適用されている光部品なので、コストの低減を図ることができる。また、MZ変調器を一度通過するだけの構成なので、光の挿入損失低減を図ることができる。
次に、図5を参照しながら、2電極MZ変調器を用いてQPSKを実行する場合について考える。2電極MZ変調器を用いたQPSKについては、これまでに、図5(a)に示した信号点配置をとる方式(3値駆動)が実証されている(例えば、非特許文献3参照)。
図5(a)は、2倍オーバサンプリングで2電極MZ変調器を駆動した場合の光電界の複素平面上の遷移の軌跡を示しており、図中の黒丸がQPSKの信号点に対応する。
なお、2電極MZ変調器の特徴である低挿入損失を生かすためには、3値駆動よりも、4値の電気信号による変調器の駆動の方が有利である。4値駆動を行うことにより、3値駆動の場合と比較して、2電極MZ変調器での損失が約3dB改善する(例えば、非特許文献2参照)。
2電極MZ変調器を用いて4値駆動のQPSKを実行した場合における光電界の複素平面上の遷移の軌跡を、図5(b)に示す。
ここで、2電極MZ変調器を光変調器として用いる場合、通常のOOK(On−Off Keying)伝送を実行するときと同様に、多値変調を実行するときにおいても、光伝送信号品質を安定化させるためには、2電極MZ変調器の動作点を決定するDC(Direct Current)バイアスの安定化が不可欠となる。
特表2004−516743号公報
T.Sakamoto,et al.,"50−Gb/s 16 QAM by a quad−parallel Mach−Zehnder modulator",ECOC2007,PD2.8,2007 K−P.Ho,et al.,"Generation of Arbitrary Quadrature Signals Using One Dual−Drive Modulator",IEEE J.Lightwave Technol.,Vol.23,No.2,February 2005,pp.764−770 D.J.Krause,et al.,"Demonstration of 20−Gb/s DQPSK With a Single Dual−Drive Mach−Zehnder Modulator",IEEE Photon.Technol.Lett.,Vol.20,No.16,August 15,2008,pp.1363−1365
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
上述したように、2電極MZ変調器を光変調器として用いる場合には、2電極MZ変調器の動作点を決定するDCバイアスの安定化が不可欠となるが、これまで、2電極MZ変調器を用いた4値以上のQPSKに対するDCバイアスの安定化制御技術については、開示されていないという問題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、2電極MZ変調器を用いた多値変調(特に、4値以上)を実行する場合に、DCバイアスを安定化制御することにより、光伝送信号品質を安定化させることができる多値光送信器を得ることを目的とする。
この発明に係る多値光送信器は、入力された電気信号である入力データ系列を光多値信号に変換して出力する多値光送信器であって、入力データ系列に応じて設定される第1変調データをD/A変換して第1多値信号を生成する第1D/Aコンバータと、入力データ系列に応じて設定される第2変調データをD/A変換して第2多値信号を生成する第2D/Aコンバータと、第1多値信号に応じて光源からの光を変調する第1位相変調器、および第2多値信号に応じて光源からの光を変調する第2位相変調器を含み、第1位相変調器からの光信号と第2位相変調器からの光信号とを合成して、光多値信号を出力する2電極MZ変調器と、光多値信号の平均パワーを検出するパワーモニタ手段と、平均パワーが最大となるように、2電極MZ変調器に対するDCバイアスを制御するDCバイアス制御手段と、を備えたものである。
この発明に係る多値光送信器によれば、DCバイアス制御手段は、2電極MZ変調器から出力された光多値信号の平均パワーが最大となるように、2電極MZ変調器に対するDCバイアスを制御する。
これにより、DCバイアスの最適値からのずれが補償され、DCバイアスを安定化させることができる。
そのため、2電極MZ変調器を用いた多値変調を実行する場合に、DCバイアスを安定化制御することにより、光伝送信号品質を安定化させることができる多値光送信器を得ることができる。
この発明の実施の形態1に係る多値光送信器を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態1に係る多値光送信器の動作原理を示す説明図である。 この発明の実施の形態1に係る多値光送信器の動作原理を示す別の説明図である。 この発明の実施の形態1に係る多値光送信器のDCバイアス制御手段を示すブロック構成図である。 (a)、(b)は、2電極MZ変調器を用いてQPSKを実行する場合の信号点配置を、3値駆動および4値駆動について示す説明図である。
以下、この発明の多値光送信器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
なお、以下の実施の形態では、2電極MZ変調器を用いて4値駆動のQPSKを実行する場合を例に挙げて説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る多値光送信器を示すブロック構成図である。
図1において、この多値光送信器は、2つのD/Aコンバータ11a、11b(第1、第2D/Aコンバータ)、2つの電気増幅器12a、12b、光源13、2電極MZ変調器14(DDMZM)、光タップカプラ15、光出力パワーモニタ16(パワーモニタ手段)、発振器17、DCバイアス制御部18および加算器19を備えている。
2電極MZ変調器14は、2つの位相変調器14a、14b(第1、第2位相変調器)と、バイアス用の電極14cとを有している。また、2電極MZ変調器14には、第1信号入力端子、第2信号入力端子およびDCバイアス印加端子が設けられており、それぞれ位相変調器14a、位相変調器14bおよび電極14cと接続されている。また、発振器17、DCバイアス制御部18および加算器19でDCバイアス制御手段が構成されている。
以下、この多値光送信器の各部位の機能について説明する。
まず、多値光送信器に入力された入力データ系列は、並列展開されて図示しないルックアップテーブル(LUT:Look−Up Table)に入力される。LUTは、並列展開された入力データ系列に応じたD/A(Digital/Analog)コンバータ11a、11bの設定値(第1変調データ、第2変調データ)を出力する。
D/Aコンバータ11a、11bは、LUTから出力された設定値をD/A変換し、それぞれ第1多値信号および第2多値信号を生成する。電気増幅器12a、12bは、D/Aコンバータ11a、11bからの第1多値信号および第2多値信号を、それぞれ光変調に必要な電圧振幅まで増幅し、第1駆動電気信号V1(t)および第2駆動電気信号V2(t)を生成して、2電極MZ変調器14の第1信号入力端子および第2信号入力端子に出力する。
ここで、第1多値信号および第2多値信号は、ともに4値のアナログ電圧をとる。QPSKを実行する場合、第1および第2駆動電気信号(V1(t),V2(t))として、(3/4×Vπ,−1/4×Vπ)、(1/4×Vπ,−3/4×Vπ)、(5/4×Vπ,1/4×Vπ)、(−1/4×Vπ,−5/4×Vπ)の4組の電圧が得られるように、D/Aコンバータ11a、11bの設定を行うことにより、2電極MZ変調器14の出力としてQPSKの信号を得ることができる。なお、Vπは、2電極MZ変調器14の半波長電圧を示している。
2電極MZ変調器14は、電気増幅器12a、12bからの第1駆動電気信号V1(t)および第2駆動電気信号V2(t)で位相変調器14a、14bを駆動して、光源13からの連続(CW:Continuous−wave)光を変調し、変調光信号を出力する。このとき、D/Aコンバータ11a、11bが、上述した4組の電圧が得られるように設定されているので、2電極MZ変調器14から出力される変調光信号として、光多値信号を得ることができる。
また、2電極MZ変調器14は、DCバイアス印加端子に入力されるバイアス信号によって電極14cに印加されるバイアス電圧により、動作点が決定される。2電極MZ変調器14に入力されるバイアス信号の詳細な説明については、後述する。
光タップカプラ15は、2電極MZ変調器14から出力される光多値信号の一部を分岐し、分岐した光多値信号を光出力パワーモニタ16に出力する。
光出力パワーモニタ16は、例えば光検出器(PD:Photo−Detector)による光パワーと電流との変換、トランスインピーダンスアンプ(TIA:Trans−Impedance Amplifier)による電流と電圧との変換等の各機能による光・電気変換機能、およびコンデンサ等によるAC結合機能を有し、所望の周波数帯域の光多値信号の平均パワーをモニタ電圧として検出し、電圧信号に変換されたモニタ信号として出力する。
発振器17は、周波数f0の低速ディザ信号を出力する。なお、低速ディザ信号の周波数f0は、光伝送信号品質に影響を与えないように、伝送のシンボルレートに比べて、十分に低い値に設定されている。
DCバイアス制御部18は、光出力パワーモニタ16からのモニタ信号と、発振器17からの低速ディザ信号とを入力する。また、DCバイアス制御部18は、例えばロックイン検出により、モニタ信号に含まれるディザ周波数(f0)成分の大きさおよび位相(または符号)を検出してフィードバック制御を実行し、バイアス制御信号を出力する。
加算器19は、DCバイアス制御部18からのバイアス制御信号に対して、発振器17からの低速ディザ信号を重畳し、バイアス信号を生成する。加算器19で生成されたこのバイアス信号が、2電極MZ変調器14のDCバイアス印加端子に入力される。
ここで、DCバイアス制御部18によるフィードバック制御において、モニタ信号に含まれるディザ周波数成分が最小値となるようにDCバイアスを制御することにより、2電極MZ変調器14を用いて4値駆動の(4値の多値信号による)QPSKを実行する場合のDCバイアスを安定化させることができる。
以下、図2および図3を参照しながら、モニタ信号に含まれるディザ周波数成分が最小値となるようにDCバイアスを制御することによって、DCバイアスを安定化させることができる原理について説明する。
図2は、2電極MZ変調器14を用いて4値駆動のQPSKを実行した場合において、DCバイアスが最適値からずれた際に生じる信号点の変化を示す説明図である。
図2において、黒丸はDCバイアスが最適値である場合の信号点を示しており、白丸はDCバイアスが最適値からずれた場合の信号点をそれぞれ示している。
DCバイアスが最適値からずれてくると、信号点の配置される円周の半径が、DCバイアスが最適値である場合に信号点が配置される円周の半径よりも小さくなる。また、DCバイアスが最適値からずれてくると、DCバイアスが最適値である場合の信号点に対して、信号点が回転する。
原点から信号点までの距離が短くなることは、光多値信号の平均パワーが小さくなることと等価なので、2電極MZ変調器14からの光多値信号の平均パワーを検出することにより、DCバイアスの最適値からのずれを検出することができる。
図3は、DCバイアスの最適値からのずれに対する光多値信号の平均パワーの変化を示す説明図である。
図3において、光多値信号の平均パワーが最大となる点が、DCバイアスの最適状態と一致する。
ここで、DCバイアスに低速のディザ信号(周波数f0)を印加した場合を考えると、DCバイアスの最適状態では、ディザ周波数の2倍の周波数(2×f0)を持つ成分が最大となり、ディザ周波数(f0)成分は最小となる。また、DCバイアスが最適値からずれてくると、ずれの向きによっては、ディザ周波数成分の位相が反転することが分かる。
そのため、ロックイン検出によって、モニタ信号に含まれるディザ周波数成分の大きさおよび位相を検出し、このディザ周波数成分の大きさおよび位相が最小値となるようにDCバイアスをフィードバック制御することにより、DCバイアスを安定化させることができる。
続いて、図4を参照しながら、ロックイン検出によってモニタ信号に含まれるディザ周波数成分の大きさおよび位相を検出する場合の、DCバイアス制御部18の処理について説明する。
図4は、図1のDCバイアス制御部18を、光出力パワーモニタ16、発振器17および加算器19とともに示すブロック構成図である。
図4において、DCバイアス制御部18は、移相器21、ミキサ22、ローパスフィルタ23(LPF:Low Pass Filter)、オフセット設定手段24および加算器25を有している。
以下、通常のロックイン検出を実行するものとして、DCバイアス制御部18の各部位の機能について説明する。
移相器21は、モニタ信号に含まれるディザ周波数成分の信号との相対位相が0度(同相)または180度(逆相)となるように、発振器17からの低速ディザ信号の位相を変化させる。なお、移相器は、低速ディザ信号の位相を反転させる機能のみを有するものであってもよい。
ミキサ22は、光出力パワーモニタ16からのモニタ信号と、移相器21からの移相後の低速ディザ信号とを掛け合わせる。LPF23は、ミキサ22の出力信号から、DC成分のみを誤差信号として抽出する。
ここで、モニタ信号にディザ周波数成分が含まれている場合には、ミキサ22の出力信号にディザ周波数成分の大きさに応じたDC成分が発生するので、LPF23通過後のDC成分の大きさから、ディザ周波数成分の大きさを検出することができる。また、モニタ信号に含まれるディザ周波数成分の位相は、LPF23通過後のDC成分の符号で判別することができる。
そのため、LPF23通過後のDC成分を誤差信号として用いることにより、DCバイアスのフィードバック制御を実行することができる。
オフセット設定手段24は、LPF23からの誤差信号に重畳するためのオフセット信号を出力する。加算器25は、LPF23からの誤差信号に対して、オフセット設定手段24からのオフセット信号を重畳し、バイアス制御信号を生成する。
例えば、モニタ信号に含まれるディザ周波数成分がゼロとなる点を制御目標とする場合、誤差信号であるLPF23通過後のDC成分が、ゼロとなるように制御が実行される。このとき、誤差信号がゼロになる点と、DCバイアスの0Vとは通常一致しないので、オフセット設定手段24からのオフセット信号をLPF23からの誤差信号に重畳することにより、誤差信号がゼロとなる場合であっても、制御目標を維持するために必要となるDCバイアスの値を設定することができる。
以上のように、実施の形態1によれば、DCバイアス制御手段は、2電極MZ変調器から出力された光多値信号の平均パワーが最大となるように、2電極MZ変調器に対するDCバイアスを制御する。
これにより、DCバイアスの最適値からのずれが補償され、DCバイアスを安定化させることができる。
そのため、構成が簡素な2電極MZ変調器を用いた多値変調を実行する場合に、DCバイアスを安定化制御することにより、光伝送信号品質を安定化させることができる多値光送信器を得ることができる。
また、発振器は、DCバイアスに重畳されるディザ信号であって、第1多値信号および第2多値信号のシンボルレートに比べて十分に低い周波数のディザ信号を出力し、DCバイアス制御部は、パワーモニタ手段で検出された信号に含まれるディザ周波数成分が最小になるようにDCバイアスを制御する。
そのため、簡素な構成でDCバイアスを制御することができる。
なお、上記実施の形態1では、2電極MZ変調器を用いて4値駆動のQPSKを実行する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、これに限定されず、2電極MZ変調器を用いて4値以外の電圧レベルを持つ第1多値信号および第2多値信号による多値変調を実行する場合であって、DCバイアスの最適値において光多値信号の平均パワーが最大となるときには、何れの多値変調であっても本願の多値光送信器を適用することができる。
また、上記実施の形態1では、DCバイアス制御部18が移相器21、ミキサ22、LPF23、オフセット設定手段24および加算器25を有し、アナログ処理によってフィードバック制御を実行し、バイアス制御信号を出力すると説明した。しかしながら、これに限定されず、DCバイアス制御部は、A/DコンバータおよびD/Aコンバータと、マイクロプロセッサ、FPGA(Field Programmable Gate Array)またはDSP(Digital Signal Processor)等とを用いたデジタル処理によってフィードバック制御を実行し、バイアス制御信号を出力してもよい。
この場合も、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施の形態1では、DCバイアスを、DCバイアス印加端子に印加すると説明した。しかしながら、これに限定されず、第1駆動電気信号V1(t)および第2駆動電気信号V2(t)に対して、Bias−Tee等の部品を用いてDCバイアスを印加してもよい。
この場合も、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施の形態1では、光タップカプラ15および光出力パワーモニタ16が2電極MZ変調器14の外部に設けられていると説明した。しかしながら、これに限定されず、光タップカプラ15および光出力パワーモニタ16の機能を2電極MZ変調器14に内蔵し、内蔵されたこれらの機能を用いてもよい。
この場合も、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
11a、11b D/Aコンバータ(第1、第2D/Aコンバータ)、13 光源、14 2電極MZ変調器、14a、14b 位相変調器(第1、第2位相変調器)、16 光出力パワーモニタ(パワーモニタ手段)、17 発振器、18 DCバイアス制御部。

Claims (3)

  1. 入力された電気信号である入力データ系列を光多値信号に変換して出力する多値光送信器であって、
    前記入力データ系列に応じて設定される第1変調データをD/A変換して第1多値信号を生成する第1D/Aコンバータと、
    前記入力データ系列に応じて設定される第2変調データをD/A変換して第2多値信号を生成する第2D/Aコンバータと、
    前記第1多値信号に応じて光源からの光を変調する第1位相変調器、および前記第2多値信号に応じて前記光源からの光を変調する第2位相変調器を含み、前記第1位相変調器からの光信号と前記第2位相変調器からの光信号とを合成して、前記光多値信号を出力する2電極MZ変調器と、
    前記光多値信号の平均パワーを検出するパワーモニタ手段と、
    前記平均パワーが最大となるように、前記2電極MZ変調器の動作点を決定するDCバイアスを制御するDCバイアス制御手段と、
    を備えたことを特徴とする多値光送信器。
  2. 前記第1多値信号および前記第2多値信号は、それぞれ4値以上の電圧レベルを有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の多値光送信器。
  3. 前記DCバイアス制御手段は、
    前記DCバイアスに重畳されるディザ信号であって、前記第1多値信号および前記第2多値信号のシンボルレートに比べて十分に低い周波数のディザ信号を出力する発振器と、
    前記パワーモニタ手段で検出された信号に含まれるディザ周波数成分が最小になるように前記DCバイアスを制御するDCバイアス制御部と、
    を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の多値光送信器。
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