JP2016099610A - 光通信装置及び光変調器の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路間で変調特性がばらつく場合や、変調特性に異なる経時変化が生じる場合でも最適な変調条件を実現する。【解決手段】 光通信装置は、一対のマッハツェンダ光変調器と、前記一対のマッハツェンダ光変調器の合波出力光を光電変換した電圧成分をモニタする電圧モニタ回路と、前記一対のマッハツェンダ光変調器の合波出力光を光電変換して二乗検波した電力成分をモニタする電力モニタ回路と、前記電力モニタ回路の出力に基づいて前記合波出力光の交流成分が最小になるように各前記マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路のうちの一方光導波路の基板バイアス電圧または駆動振幅を制御する第１制御回路と、前記電圧モニタ回路の出力に基づいて前記合波出力光の強度が最大になるように前記２つの光導波路の他方の光導波路の基板バイアス電圧または駆動振幅を制御する第２制御回路とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信装置と光変調器の制御技術に関する。

近年、デジタルコヒーレント技術を用いた偏波多重４値位相変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ：Dual Polarization Quadrature Phase-Shift Keying）方式により、１００Ｇｂ／ｓの長距離光伝送が実現されている。さらなる大容量化を実現するために、偏波多重１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）等の、より多値の変調方式の開発が進められている。また、光送受信器の小型化への要望も高まっている。現在は、光変調器としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）マッハツェンダ（Mach-Zehnder）光変調器が一般的に使用されているが、小型化のためには半導体マッハツェンダ光変調器によるＤＰ−ＱＰＳＫやＤＰ−１６ＱＡＭ等の実現が望まれる。

半導体光変調器には、変調器に入力される光の波長に応じて変調特性（印加電圧に対する位相回転量、すなわち電圧対位相特性）が変動してしまうという固有の問題がある。半導体光変調器は印加電圧によって半導体の吸収端波長が変化し、Kramers-Kronigの関係により吸収に伴う位相変化を利用して光波位相を変調している。したがって、変調を受ける光波長が吸収端波長に近いほど電圧変化に対する位相変化が大きくなるという波長依存性を持つ。

一方で、半導体変調器は、基板バイアス電圧を変化させることで吸収端波長が変化するため、変調特性を変えることができる。ここで、変調位置、すなわち光変調器を駆動する高速駆動電気信号の中心直流電位を決めるバイアス電圧を「基板バイアス」と称し、他のバイアスと区別する。他のバイアスとして、マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路間の光波位相差を制御する位相バイアスや、直交位相変調を行う際に２つのマッハツェンダ光変調器間の位相差をπ／２に制御するπ／２シフトバイアスがある。

半導体光変調器における変調特性の波長依存性の課題に対して、光入力波長に応じて基板バイアスまたは変調器駆動振幅を調整・制御する方法が知られている。第１の技術は、用いる光波長に応じて、基板バイアスをあらかじめ決められた電圧に設定する。これにより、光波長が変化しても同じ駆動振幅で変調器を駆動することができる（たとえば、特許文献１参照）。

第２の技術は、基板バイアスまたは変調器駆動振幅をフィードバック制御する方法である。駆動データ信号に低周波信号を重畳して光信号出力をモニタし、モニタ結果に応じて基板バイアスと変調器駆動振幅の少なくとも一方を制御する（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００５−３２６５４８号公報（特許第４２７２５８５号） 特開２０１２−２５７１６４号公報

半導体マッハツェンダ光変調器では、２つの光導波路の間で電圧対位相特性（変調特性）や波長特性がばらついたり、電圧対位相特性に異なる経時変化が生じる場合がある。また、光変調器の各光導波路を駆動する駆動回路（駆動振幅）の間にばらつきが生じることもある。電気光学効果を利用して位相変調を行うＬｉＮｂＯ３マッハツェンダ光変調器でも、屈折率の変動や駆動振幅やバイアス電圧の経時変化等により２つの光導波路間で変調効率がばらつく可能性がある。

従来の第１の技術と第２の技術では、２つの光導波路を同一振幅の駆動波形で駆動し、かつ２つの光導波路に同じ基板バイアス電圧を印加している。したがって、２つの光導波路間で電圧対位相特性や駆動振幅がばらついたり、異なる経時変化が生じる場合に最適な変調条件から外れてしまう。

そこで、２つの光導波路間で変調特性がばらつく場合や、変調特性に異なる経時変化が生じる場合でも最適な変調条件を実現することのできる光通信装置と光変調器の制御技術を提供することを課題とする。

ひとつの態様では、光通信装置は、
一対のマッハツェンダ光変調器と、
前記一対のマッハツェンダ光変調器の合波出力光を光電変換した電圧成分をモニタする電圧モニタ回路と、
前記マッハツェンダ光変調器の合波出力光を光電変換して二乗検波した電力成分をモニタする電力モニタ回路と、
前記電力モニタ回路の出力に基づいて、前記合波出力光の交流成分が最小になるように各前記マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路のうちの一方の光導波路の基板バイアス電圧または駆動振幅を制御する第１制御回路と、
前記電圧モニタ回路の出力に基づいて、前記合波出力光の強度が最大になるように前記２つの光導波路の他方の光導波路の基板バイアス電圧または駆動振幅を制御する第２制御回路と、
を有する。

マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路間で変調特性にばらつきや異なる経時変化が生じる場合でも、最適な変調条件を維持することができる。

第１実施形態の光送信機の概略構成図である。 マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路間で変調率を合せる制御の原理を説明する図である。 ＱＰＳＫでマッハツェンダ光変調器の２つの光導波路間で変調率を合せる制御の原理を説明する図である。 ２つの光導波路間の変調特性を合わせる電力モニタ制御を説明する図である。 変調率を１００％にする制御の原理を説明する図である。 光変調器の出力光電力を最大にする線形モニタ制御を説明する図である。 第２実施形態の光送信機の概略構成図である。 第３実施形態の光送信機の概略構成図である。 第４実施形態の光送信機の概略構成図である。 第５実施形態の光送信機の概略構成図である。 第６実施形態の光送信機の概略構成図である。 第７実施形態の光送受信機の概略構成図である。

実施形態では、マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路間の変調効率のばらつきを最小にし、かつ位相変調率が最大（０ラジアンとπラジアンの間での位相変化率１００％）となるように、２つの光導波路を個別に制御する。２つの光導波路を「光導波路Ａ」と「光導波路Ｂ」として、次の制御を行う。
（１）光導波路Ｂの変調率（位相回転）が光導波路Ａの変調率（位相回転）と等しくなるように、光導波路Ｂの基板バイアスまたは駆動振幅を電力モニタ制御する。電力モニタ制御は、Ｉ（In-phase：同相）変調器とＱ（Quadrature：直交）変調器の合波出力光の電力成分を検出して（電圧の二乗検波）、Ｉ−Ｑ合波出力光の交流成分すなわち変動成分が最小になるように光導波路Ｂの基板バイアスまたは駆動振幅を制御する。この制御により、光導波路Ｂの変調率を光導波路Ａの変調率に合わせることができる。
（２）光導波路の変調率（位相回転）が１００％（π）となるように、光導波路Ａの基板バイアスまたは駆動振幅を電圧モニタ制御する。電圧モニタ制御は、Ｉ−Ｑ合波出力光の電圧を検出し、出力光の電力（強度）が最大となるように光導波路Ａの基板バイアスまたは駆動振幅を制御する。Ｉ−Ｑ合波出力光の強度と検出される電流（すなわち電圧）の関係はリニアであるため、電圧モニタ制御を「線形モニタ制御」と称してもよい。この制御により変調率を１００％にすることができる。

制御（１）と制御（２）により、光導波路Ａと光導波路Ｂの双方で位相変調率が１００％に制御される。変調器出力光の交流成分の電力モニタ（制御（１））と、変調器出力光の線形モニタ（制御（２））を実施するために、光変調器の基板バイアス電圧または駆動信号に低周波信号を重畳して、Ｉ−Ｑ合波出力光に含まれる低周波成分を同期検波する。低周波成分が最小になるように基板バイアスまたは駆動振幅を制御することで、Ｉ−Ｑ合波出力光の交流成分が最小になり、かつＩ−Ｑ合波出力光の強度が最大（変調率１００％）になる。

駆動信号または基板バイアス電圧への低周波信号の重畳と、駆動振幅または基板バイアス電圧の制御とを任意に組み合わせることができるので、４通りの組み合わせが可能である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の光通信装置の一例としてＱＰＳＫ光送信機１Ａの概略構成を示す。第１実施形態では、基板バイアス電圧に低周波信号を重畳し、制御（１）と制御（２）により基板バイアス電圧を制御する。

光送信機１Ａは、光源１１と、並列配置されるマッハツェンダ光変調器１２Ｉ及び１２Ｑと、位相シフタ２２Ｉ及び２２Ｑを有する。マッハツェンダ光変調器１２Ｉを、適宜「Ｉ変調器」または「Ｉアーム」と称し、マッハツェンダ光変調器１２Ｑを、適宜「Ｑ変調器」または「Ｑアーム」と称する。Ｉ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑはインジウムリン（ＩｎＰ）等の半導体光変調器であり、印加電圧により半導体の吸収端波長が変化し、Kramers-Kronigの関係により吸収に伴う位相変化を利用して光波位相を変調する。Ｉ変調器１２Ｉ、Ｑ変調器１２Ｑ、及び位相シフタ２２Ｉ、２２Ｑで光変調部を構成する。

光源１１は、半導体レーザであり、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing)伝送システムに対応可能な光波長の可変機能を持つ。光源１１から出力された光波は２つに分岐され、それぞれＩ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑへ入力される。Ｉ変調器１２Ｉで入力光が２つに分岐され、光導波路１２Ｉａ（光導波路Ａ）と光導波路１２Ｉｂ（光導波路Ｂ）へ入力される。同様に、Ｑ変調器１２Ｑで入力光が２つに分岐され、光導波路１２Ｑａ（光導波路Ａ）と光導波路１２Ｑｂ（光導波路Ｂ）へ入力される。Ｉ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑを伝搬する２つの光波は、位相シフタ２２Ｉ及び２２Ｑによりπ／２ラジアン（９０°）の位相差が付加された後に合波され、出力される（Ｉ−Ｑ合波出力）。

光送信機１Ａはまた、光変調部の出力であるＩ−Ｑ合波出力光の電圧をモニタする線形モニタ回路１２５と、電力をモニタする電力モニタ回路１２６を有する。線形モニタ回路１２５と電力モニタ回路１２６はそれぞれ受光素子を有してもよいし、Ｉ−Ｑ合波の分岐点の近傍に共通の受光素子が配置されてもよい。

電力モニタ回路１２６の出力は、Ｉ変調器１２Ｉの一方の光導波路（光導波路Ｂ）１２Ｉｂの基板バイアス電圧を制御するＩ基板バイアス電圧制御回路１７Ｉｂと、Ｑ変調器１２Ｑの一方の光導波路（光導波路Ｂ）１２Ｑｂを制御するＱ基板バイアス電圧制御回路１７Ｑｂと、ＩアームとＱアーム間の位相差を制御するπ／２シフト制御回路２１に接続される。

線形モニタ回路１２５の出力は、Ｉ変調器１２Ｉの他方の光導波路（光導波路Ａ）１２Ｉａの基板バイアス電圧を制御するＩ基板バイアス電圧制御回路１７Ｉａと、Ｑ変調器１２Ｑの他方の光導波路（光導波路Ａ）１２Ｑａの基板バイアス電圧を制御するＱ基板バイアス電圧制御回路１７Ｉａに接続される。このように、Ｉ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑにおいて、２つの光導波路（光導波路Ａと光導波路Ｂ）の基板バイアス電圧はそれぞれ個別に制御される。

線形モニタ回路１２５の出力はまた、Ｉ変調器１２Ｉの２つの光導波路で変調を受けた光波の位相差を調整するＩ位相バイアス制御回路１６Ｉと、Ｑ変調器１２Ｑの２つの光導波路で変調を受けた光波の位相差を調整するＱ位相バイアス制御回路１６Ｑにも接続される。

光導波路Ａ（１２Ｉａ，１２Ｑａ）と光導波路Ｂ（１２Ｉｂ，１２Ｑｂ）には、光の進行方向に沿って、信号電極と位相バイアス電極が設けられている。信号電極は進行波型電極であり、駆動回路１３Ｉａ、１３Ｉｂ、１３Ｑａ、１３Ｑｂ（適宜、「駆動回路１３」と総称する）からの高速電気信号（たとえば３２Ｇｂ／ｓ）を受けて、光波を高速変調する。駆動回路１３と信号電極は図示しないコンデンサを介して交流結合している。

Ｉ変調器１２Ｉの光導波路Ａ（１２Ｉａ）の信号電極に、Ｉ基板バイアス電圧制御回路１７Ｉａから直流的に基板バイアス電圧が印加され、光導波路Ｂ（１２Ｉｂ）の信号電極に、Ｉ基板バイアス電圧制御回路１７Ｉｂから直流的に基板バイアス電圧が印加される。同様に、Ｑ変調器１２Ｑの光導波路Ａ（１２Ｑａ）の信号電極に、Ｑ基板バイアス電圧制御回路１７Ｑａから直流的に基板バイアス電圧が印加され、光導波路Ｂ（１２Ｑｂ）の信号電極に、Ｑ基板バイアス電圧制御回路１７Ｑｂから直流的に基板バイアス電圧が印加される。基板バイアス電圧により変調位置、すなわち駆動振幅の中心の直流電位が決まる。

Ｉ変調器１２Ｉの２つの光導波路１２Ｉａと１２Ｉｂの信号電極に逆の極性のデータ信号が入力され、光波の位相は逆極性で変調される。逆極性で位相変調された光が合波されて、Ｉ変調器１２Ｉの出力は位相が０とπの２値変調がかかった光波となる。同様に、Ｑ変調器１２Ｑの２つの光導波路１２Ｑａと１２Ｑｂの信号電極に逆の極性のデータ信号が入力されて光波の位相が逆極性で変調され、Ｑ変調器１２Ｑの出力は０とπの２値変調がかかった光波となる。

Ｉ変調器１２Ｉの出力とＱ変調器１２Ｑの出力にπ/2 の位相差を付加して合波した光波は、直交位相変調された光波となる。第１実施形態ではＱＰＳＫ変調方式を例にとっているが、駆動回路１３に供給される信号の振幅が多値の場合は、出力光の振幅が多値化され（ただし位相は２値）、１６ＱＡＭ等のより多値の変調信号等が得られる。

Ｉ変調側において、低周波重畳回路１８Ｉは、駆動信号と比較して十分に低い周波数（たとえば数ｋＨｚ）の信号を生成し、Ｉ基板バイアス電圧制御回路１７Ｉａと１７Ｉｂに供給する。これにより、光導波路１２Ｉａと光導波路１２Ｉｂに個別に印加される基板バイアス電圧に低周波信号が重畳される。低周波信号は、Ｉ位相バイアス制御回路１６Ｉにも供給され、位相バイアスに低周波信号が重畳される。Ｑ変調側も同様に、低周波重畳回路１８Ｑは低周波信号を生成して、Ｑ基板バイアス電圧制御回路１７Ｑａ及び１７Ｑｂと、Ｑ位相バイアス制御回路１６Ｑに低周波信号を供給する。これにより、光導波路１２Ｑａと光導波路１２Ｑｂに個別に印加される基板バイアス電圧に低周波信号が重畳される。Ｑ変調側の位相バイアスにも低周波信号が重畳される。

線形モニタ回路１２５は、Ｉ−Ｑ合波出力光の一部を受け取り、受光素子及び電子回路で電圧に変換する。線形モニタ回路１２５の出力は、光導波路Ａの基板バイアス電圧を制御するＩ基板バイアス電圧制御回路１７Ｉａと、Ｑ基板バイアス電圧制御回路１７Ｑａに供給される。Ｉ基板バイアス電圧制御回路１７ＩａとＱ基板バイアス電圧制御回路１７Ｑａは、それぞれ低周波信号を用いてモニタ電圧に含まれる低周波成分を同期検波し、低周波成分がゼロになるように対応する光導波路Ａの基板バイアス電圧を制御する。

電力モニタ回路１２６は、Ｉ−Ｑ合波出力光の一部を受け取り、受光素子及び電子回路で電圧に変換し、モニタ信号の電力成分を検出する（電圧の二乗検波）。電力モニタ回路１２６は、交流成分を得るためにある程度の帯域、たとえば数百ＭＨｚの帯域をもつ。電力モニタ回路１２６の出力は、光導波路Ｂの基板バイアス電圧を制御するＩ基板バイアス電圧制御回路１７Ｉｂと、Ｑ基板バイアス電圧制御回路１７Ｑｂに供給される。Ｉ基板バイアス電圧制御回路１７ＩｂとＱ基板バイアス電圧制御回路１７Ｑｂは、それぞれ低周波信号を用いてモニタ電力に含まれる低周波成分を同期検波し、低周波成分がゼロになるように光導波路Ｂの基板バイアス電圧を制御する。

［光導波路Ｂの基板バイアス制御］
光導波路Ｂの基板バイアス電圧は、Ｉ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑの合波出力光の交流電力成分が最小となるように制御される（制御（１））。この制御により、光導波路Ｂの変調率が光導波路Ａの変調率に合致するように制御される。

Ｉ−Ｑ合波出力光の交流成分が最小の動作点では、低周波信号は折り返されて２倍周期の成分となるため、Ｉ−Ｑ合波出力光に含まれる低周波成分はゼロとなる。最適動作点からずれた場合は低周波成分が検出され、ずれた方向により低周波成分の極性が逆転するため、基板バイアス電圧を制御する方向が判明する。この制御の詳細は後述する。光導波路Ｂの基板バイアス制御はアナログ電子回路により実施できるが、ディジタル信号処理によっても実施できる。

［光導波路Ａの基板バイアス制御］
光導波路Ａの基板バイアス電圧は、変調器１２の出力光の電力（たとえば平均電力）が最大となるように制御される（制御（２））。この制御により、位相変調率が１００％に制御される。

変調器出力光の強度（電力）が最大となる動作点では、低周波信号は折り返されて２倍周期の成分となるため、Ｉ−Ｑ合波出力光に含まれる低周波成分はゼロになる。最適動作点からずれた場合は低周波成分が検出され、ずれた方向により低周波成分の極性が逆転するため、基板バイアス電圧を制御する方向が判明する。この制御の詳細は後述する。光導波路Ａの基板バイアス制御はアナログ電子回路により実施できるが、ディジタル信号処理によっても実施できる。

光導波路Ａと光導波路Ｂの基板バイアスの個別制御により、光導波路Ａと光導波路Ｂの間で電圧対位相変化特性が異なる場合や異なる経時変化を生ずる場合にも、２つの導波路間の変調率が合致し（制御（１））、かつ光導波路Ａと光導波路Ｂの双方で位相変調率１００％（０とπの間での位相変化）となる（制御（２））。光導波路Ａと光導波路Ｂの制御速度の関係は、例えば、Ｂ＞Ａ、またはＡ＞Ｂとする。

［制御原理］
図２〜４は、マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路間の光波の変調率を同じにする制御（制御（１））を説明する図である。図２（Ａ）に示すように、光導波路Ａと光導波路Ｂで光波の変調率が異なる場合（たとえば光導波路Ａの変調率が７０％、光導波路Ｂの変調率が８０％）、光導波路Ａ側の光ベクトルと光導波路Ｂ側の光ベクトルの合成ベクトルが水平軸上からはずれ、マッハツェンダ光変調器の０-π位相変調効率が低下する。

これに対し、図２（Ｂ）に示すように光導波路Ａと光導波路Ｂで光波の変調率が同じ場合（たとえば双方で変調率が６０％）、２つの光導波路の合成光ベクトルが水平軸上に並び、０ラジアンとπラジアンの位相変調が実現される。

図３は、直交する２つのマッハツェンダ光変調器を用いる場合に、２つの光導波間の光波の変調率を同じにする制御の原理を説明する図である。図３（Ａ）に示すように、光導波路Ａと光導波路Ｂを透過する光波の変調率が異なると、Ｉ出力光で０とπの位相関係がずれ、Ｑ出力光でπ/２と３π／２の位相関係がずれる。Ｉ出力光とＱ出力光の合成出力には４位相の本来の信号点から外れ、かつ光強度（ベクトル長）がそれぞればらつく。この状態は、Ｉ−Ｑ合波出力光に含まれる交流成分が多い場合に相当する。

これに対し、図３（Ｂ）のように、一方の光導波路Ａを透過する光波の変調率と他方の光導波路Ｂを透過する光波の変調率が同じ場合、Ｉ出力光とＱ出力光の直交性が維持され、合成出力において４位相の光強度が同じになる。この状態は、Ｉ−Ｑ合波出力光の交流成分が最小となる場合に相当する。

図４は、交流成分を最小にする制御を説明する図である。光変調器１２の基板バイアス電圧を低周波信号で変調すると、光変調器１２の電圧対位相特性は低周波に合わせて緩やかに変化する。その結果、光波の位相変調は高速駆動信号によるπ変調に加えて、低周波によりπ±Δφで変調がかかる。Δφは低周波変調に伴う位相変量振幅の変化を示す。

図４（Ａ）の左上の図に示すように、光導波路Ｂの基板バイアス電圧が最適なときに交流成分電力は最小となる。このとき、基板バイアスに印加された低周波成分は折り返されて、図６（Ａ）の右図に示すように振幅はΔφのまま周波数が２倍になる。この場合、図６（Ｂ）に示すように重畳された低周波信号の２倍の周波数の成分が検出され、重畳信号と同じ周波数の低周波成分は最小(ゼロ)になる。交流成分電力が最適バイアスからプラス側にずれて増大すると、重畳された低周波信号と同相の低周波成分が検出される。交流成分電力が最適バイアスからマイナス側にずれて増大すると重畳された低周波信号と逆相の低周波成分が検出される。

Ｉ出力光とＱ出力光の合成出力中の交流成分電力をモニタし、交流成分電力が最小になるように光導波路Ｂの基板バイアス（すなわち変調効率）を制御することで、最大の光出力を得ることができる。

図５及び図６は、位相変調率を１００％にして出力電力を最大にする制御（制御（２））の原理を説明する図である。図５では、上述した電力制御により、光導波路Ａと光導波路Ｂの変調効率が同じに制御されているものとする。図５（Ａ）で、光導波路Ａと光導波路Ｂのそれぞれを透過する光の０方向の光ベクトルとπ方向の光ベクトルがなす角度はπよりも小さく、変調効率が１００％よりも低い（たとえば７０％）。この例では、２つの光導波路を透過する光の合成ベクトルの長さは、後述する変調率が１００％の場合の合成ベクトルの長さよりも小さくなる。

図５（Ｂ）では、光導波路Ａと光導波路Ｂのそれぞれを透過する光の０方向の光ベクトルとπ方向の光ベクトルがなす角度はπよりも大きく、変調効率は１００％よりも大きい（たとえば１３０％）。この例でも、２つの光導波路を透過する光の合成ベクトルの長さは変調率が１００％の場合の合成ベクトルの長さよりも小さくなる。

これに対し、図５（Ｃ）では、光導波路Ａと光導波路Ｂのそれぞれを透過する光は適正に０-π位相変調され、合波ベクトルは０ラジアンの方向とπラジアンの方向に揃う。このときの変調率は１００％であり、合成ベクトルの大きさ（長さ）が最大となる。すなわち、光変調器の光出力の強度が最大になる。

Ｉ−Ｑ合波出力光の交流成分（光導波路間のばらつき成分）が最小、かつ各光変調器の光出力が最大になるように、光導波路間の基板バイアスを個別に制御する。これにより、２つの光導波路間で電圧対位相特性がばらついたり異なる経時変化が生じる場合でも、安定した０／π位相変調を行い、光変調器の変調率を１００％に制御することができる。

図６（Ａ）の左上の図に示すように、光導波路Ａの基板バイアス電圧が最適値のときに光出力電力は最大となる。このとき、基板バイアス電圧に重畳された低周波信号は折り返されて、図６（Ａ）の右図に示すように低周波信号の２倍の周波数成分が検出される。したがって、低周波成分自体は検出されず、モニタ信号中の低周波成分は最小(ゼロ)になる。図６（Ｂ）に示すように、印加される基板バイアスが最適なバイアス電圧からプラス側にずれる場合、重畳される低周波信号と逆相の低周波成分が検出される。基板バイアスが最適なバイアス電圧からマイナス側にずれる場合、重畳される低周波信号と同相の低周波成分が検出される。検出される低周波成分が最小（ゼロ）になるように光導波路Ａの基板バイアス電圧を個別に制御することで、光変調器の変調率を１００％に制御することができる。なお、低周波信号を重畳して低周波成分を同期検波するかわりに、Ｉ−Ｑ合波出力光の平均光強度をモニタし、平均光強度（平均出力電力値）が最大となるように光導波路Ａの基板バイアス電圧を制御してもよい。

［その他のパラメータの制御］
基板バイアス電圧がフィードバック制御される場合は、Ｉ変調器１２Ｉ及びＱ変調器１２Ｑを駆動する駆動信号の振幅（「駆動振幅」とも称する）は固定値に制御される。駆動振幅を固定するために、出力振幅をモニタしてフィードバック制御してもよいし、温度や電源の変動等に対してフィードフォワード制御してもよい。

位相バイアス電圧の制御は次のようにして行う。光位相変調方式では、駆動信号の振幅中心が、変調器の駆動電圧対光強度特性の光強度が最低となる位置になるように位相バイアス電圧が制御される。位相バイアス電圧を低周波信号で微小変調し、Ｉ−Ｑ合波出力光に含まれる低周波成分がゼロになるように制御することで、所望の位相バイアス値に設定することができる。

π／２シフトバイアス制御は、Ｉ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑの静的な位相差をπ／２にする制御である。π／２シフトバイアス電圧を低周波信号で微小変調し、光導波路Ｂの基板バイアス制御と同様に、変調器出力光の交流成分が最小になるように、すなわちＩ−Ｑ合波出力光に含まれる低周波成分がゼロになるように制御する。

同一の低周波信号を用いて、Ｉ基板バイアスＡ側制御、Ｉ基板バイアスＢ側制御、Ｑ基板バイアスＡ側制御、Ｑ基板バイアスＢ側制御、Ｉ位相バイアス制御、Ｑ位相バイアス制御、π／２シフトバイアス制御を時分割制御を行ってもよい。時分割制御は回路規模を縮小する観点で有効である。

なお、第１実施形態では低周波信号を基板バイアス電圧に重畳したが、駆動信号に重畳しても同様の結果が得られる。

このように、入力波長の変化や光変調器の電圧対位相特性の変化、温度変化による駆動振幅の変動、経時変化等によって光波の位相変調量が変化する場合でも、０とπの安定した位相変調を実現することができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、線形モニタ出力を光導波路Ａの基板バイアス制御にフィードバックし、電力モニタ出力を光導波路Ｂの基板バイアス制御にフィードバックし、駆動振幅を固定に制御した。

第２実施形態では、線形モニタ出力を光導波路Ａの駆動振幅制御にフィードバックし、電力モニタ出力を光導波路Ｂの駆動振幅制御にフィードバックする。基板バイアス電圧は入力光の波長に応じて所定の値に設定する。

図７は、第２実施形態の光通信装置の一形態として光送信機１Ｂの概略構成を示す。第１実施形態の光送信機１Ａと同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。光送信機１Ｂは、第１実施形態の構成に加えて、Ｉ駆動振幅制御回路２３Ｉａと２３Ｉｂ、Ｑ駆動振幅制御回路２３Ｑａと２３Ｑｂ、及びメモリ１２７を有する。

Ｉ駆動振幅制御回路２３Ｉａは、Ｉ変調器１２Ｉの光導波路Ａに入力される駆動信号の振幅を制御し、Ｉ駆動振幅制御回路２３Ｉｂは、Ｉ変調器１２Ｉの光導波路Ｂに入力される駆動信号の振幅を制御する。Ｑ駆動振幅制御回路２３Ｑａは、Ｑ変調器１２Ｑの光導波路Ａに入力される駆動信号の振幅を制御し、Ｑ駆動振幅制御回路２３Ｑａは、Ｑ変調器１２Ｑの光導波路Ｂに入力される駆動信号の振幅を制御する。

電力モニタ回路１２６の出力は、光導波路Ｂの駆動振幅を制御するＩ駆動振幅制御回路２３ＩｂとＱ駆動振幅制御回路２３Ｑｂに供給され、Ｉ−Ｑ合波出力光に含まれる低周波成分がゼロになるように光導波路Ａの駆動振幅が制御される。これにより、経時変化等により駆動回路間にばらつきが生じた場合でも、光導波路Ａと光導波路Ｂの間の変調効率を一致させて変動成分を最小にすることができる。

線形モニタ回路１２５の出力は、光導波路Ａの駆動振幅を制御するＩ駆動振幅制御回路２３ＩａとＱ駆動振幅制御回路２３Ｑａに供給され、Ｉ−Ｑ合波出力光に含まれる低周波成分がゼロになるように光導波路Ａの駆動振幅が制御される。これにより、駆動振幅がばらつく場合にも変調率を１００％に維持して光出力を最大にすることができる。

光送信機１ＢはＷＤＭ通信に用いられるため、光信号の波長に応じて駆動振幅を変化させる必要があるが、駆動回路１３の能力に鑑みると駆動回路１３で波長に応じた制御を行うのは現実的ではない。そこで、光変調器の半波長電圧（光出力強度を最大と最小の間で変化させるのに必要な電圧）Ｖπの波長依存性は、波長に応じて基板バイアス電圧を設定することで補償する。２つの光導波路間のばらつきや経時変化による変調率のずれは変化幅が小さいため、上述した駆動振幅のフィードバック制御で補償することができる。

メモリ１２７は、あらかじめ波長ごとに基板バイアス電圧値を対応づけた情報を記憶している。Ｉ基板バイアス制御回路１７Ｉａ、１７Ｉｂと、Ｑ基板バイアス制御回路１７Ｑａ、１７Ｑｂは、メモリ１２７から波長に応じた基板バイアス電圧を読み出して、対応する光導波路１２Ｉａ、１２Ｉｂ、１２Ｑａ、１２Ｑｂの信号電極に印加する。

同一の低周波信号を用いて、Ｉ駆動振幅Ａ側制御、Ｉ駆動振幅Ｂ側制御、Ｑ駆動振幅ＡＡ側制御、Ｑ駆動振幅Ｂ側制御、Ｉ位相バイアス制御、Ｑ位相バイアス制御、π／２シフトバイアス制御を時分割制御を行ってもよい。時分割制御は回路規模を縮小する観点で有効である。

＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態の光通信装置の一形態として光送信機１Ｃの概略構成を示す。第３実施形態では、マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路に対する個別制御を偏波多重変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ）に適用する。以下の説明では、第１実施形態と同様に各変調器１２の２つの光導波路の基板バイアス電圧を個別に制御するが、第２実施形態のように光導波路間の駆動振幅を個別に制御してもよい。

光源１１からの光は分岐されて、Ｘ偏波系列とＹ偏波系列に入力される。各偏波系列で光波は２つに分岐されて、Ｉ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑに入力される。Ｘ偏波系列の光変調制御構成３Ｘと、Ｙ偏波系列の光変調制御構成３Ｙは、図１のＱＰＳＫ方式の光変調制御構成と同じであり、重複する説明を省略する。

Ｘ偏波系列とＹ偏波系列のそれぞれに線形モニタ回路１２５Ｘ、１２５Ｙが設けられ、各偏波系列で光出力の強度が最大になるように、光導波路Ａの基板バイアス電圧が制御される。また、Ｘ偏波系列とＹ偏波系列のそれぞれに電力モニタ回路１２６Ｘ、１２６Ｙが設けられ、各偏波系列で光出力の交流成分が最小になるように光導波路Ｂの基板バイアス電圧が制御される。Ｘ偏波信号とＹ偏波信号は偏波多重回路４９で合波され送信光信号として出力される。

この構成により、駆動振幅や光導波路にばらつきや経時変化が生じても、Ｘ偏波系列とＹ偏波系列の双方で変調率を最大にすることができ、質の良いＤＰ−ＱＰＳＫ出力光を得ることができる。

＜第４実施形態＞
図９は、第４実施形態の光送信機１Ｄの概略構成図である。光送信機１Ｄは、光源としてのレーザダイオード５１と、光変調モジュール５０と、変調器ドライバ５３を有する。光送信機１Ｄでは、線形モニタ回路１２５及び電力モニタ回路１２６を含む半導体光変調器５２と、位相バイアス制御回路５６、及び基板バイアス制御回路５７が一つの光変調モジュール５０に内蔵されている。基板バイアス制御回路５７は、光導波路Ａの基板バイアス電圧と光導波路Ｂの基板バイアス電圧を個別に制御する基板バイアス制御回路Ａ（５７ａ）と基板バイアス制御回路Ｂ（５７ｂ）を含む。図示しない低周波重畳回路も基板バイアス制御回路５７に含まれてもよい。

この例では、図１の構成に基づいて光変調モジュール５０を構成しているが、図８のＤＰ−ＱＰＳＫ方式の変調制御構成を光変調モジュール５０に内蔵してもよい。いずれの場合も、マッハツェンダ光変調器を構成する２つの光導波路の基板バイアスを個別に制御することで、均一かつ最大効率の光変調を実現することができる。

＜第５実施形態＞
図１０は、第５実施形態の光送信機１Ｅの概略構成図である。光送信機１Ｅは、光源一体型の光変調モジュール６０と、変調器ドライバ５３を有する。図９と同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

光送信機１Ｅでは、線形モニタ回路１２５及び電力モニタ回路１２６を含む半導体光変調器５２と、位相バイアス制御回路５６、基板バイアス制御回路５７、光源（ＬＤ）６１、及び光源（ＬＤ）制御回路６４が一つの光変調モジュール６０に内蔵されている。これにより、光源一体型の光変調モジュール６０が提供される。

この例では、図１の構成に基づいて光変調モジュール６０を構成しているが、図８のＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光変調制御構成を光変調モジュール６０に内蔵してもよい。

＜第６実施形態＞
図１１は、第６実施形態の光送信機１Ｆの概略構成図である。光送信機１Ｆは、光源及びドライバ一体型の光変調モジュール７０として構成される。図９及び図１０と同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

光送信機１Ｆでは、線形モニタ回路１２５及び電力モニタ回路１２６を含む半導体光変調器５２と、位相バイアス制御回路５６、基板バイアス制御回路５７、光源（ＬＤ）６１、光源（ＬＤ）制御回路６４、及び変調器ドライバ５３が一つの光変調モジュール７０に内蔵されている。

この例では、図１の構成に基づいて光変調モジュール７０を構成しているが、図８のＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光変調制御構成を光変調モジュール７０に内蔵してもよい。図７のように駆動振幅を制御する構成を光変調モジュール７０内に内蔵してもよいが、ドライバ制御回路が大型化するので、図１または図８のように基板バイアス電圧を制御する構成が望ましい。

これにより、光送信機１Ｅを単一のモジュールで構成し、均一かつ最大変調効率で光変調することができる小型化された光送信機が実現される。

＜第７実施形態＞
図１２は、第７実施形態の光送受信機２の概略構成を示す。光送受信機２は、送信系列と受信系列がひとつのモジュールに搭載されている。送信系列では、図１１のように、線形モニタ回路１２５及び電力モニタ回路１２６を含む半導体光変調器５２、変調器ドライバ５３、光源ユニット、及びバイアス電圧制御系が搭載されている。光源ユニットは光源（ＬＤ）６１と光源制御回路６４を含む。バイアス制御系は位相バイアス制御回路５６と基板バイアス制御回路５７を含む。基板バイアス制御回路５７は、図９〜図１１と同様に、光導波路Ａと光導波路Ｂを個別に制御する基板バイアス制御回路５７ａと基板バイアス制御回路５７ｂを含む。

受信系列は、光受信器９０と光受信器制御回路９２を含む。ＬＤ６１から出力される光波の一部が分岐され、局発光として光受信器９０に入力される。光受信器９０は、受信した光信号を局発光と混合して光コヒーレント検波を行い、光電気変換および電流電圧変換を行って電気信号を出力する。これにより、送受信フロントエンドモジュールが提供される。

この例では、第１実施形態の構成に基づいて光送受信モジュール７０の送信系を構成しているが、図８のＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光送信機の構成要素を光送受信モジュール７０に内蔵してもよい。また、図７のように、駆動振幅を制御する構成を内蔵してもよい。

第１〜第７実施形態で、低周波信号が基板バイアス電圧に重畳される構成を例にとって説明したが、低周波信号を光変調器１２の駆動信号に重畳して光導波路Ａと光導波路Ｂの駆動振幅または基板バイアスを個別に制御してもよい。

また、すべての実施形態を通して、電力モニタにより２つの光導波路間の変調率を同じにしてから電圧モニタにより変調率を１００％にしてもよいし、電圧モニタにより一方の光導波路の変調率を１００％にした後で、電力モニタにより２つの光導波路間の変調率を１００％に合わせてもよい。

なお、実施形態の構成はＩｎＰマッハツェンダ光変調器に限らず、電圧に対する光波の位相変化量がバイアス電圧により変化する光導波路で構成された任意のマッハツェンダ光変調器に提供され得る。また、電気光学効果を利用した位相変調においても、駆動回路の変動や経時変化、温度変化に伴う屈折率の変動など、２つの光導波路間での変調効率のばらつきや変調率の劣化が生じ得る任意のマッハツェンダ光変調器に適用される。

１Ａ〜１Ｆ 光送信機（光通信装置）
２ 光送受信機（光通信装置）
１２、１２Ｉ、１２Ｑ 光変調器
１２Ｉａ、１２Ｑａ 光導波路Ａ
１２Ｉｂ，１２Ｑｂ 光導波路Ｂ
１３、１３Ｉａ、１３Ｉｂ、１３Ｑａ、１３Ｑｂ 駆動回路
１６、１６Ｉ，１６Ｑ 位相バイアス制御回路
１７Ｉａ、１７Ｑａ、５７ａ 基板バイアス制御回路Ａ（第１制御回路）
１７Ｉｂ、１７Ｑｂ、５７ｂ 基板バイアス制御回路Ｂ（第２制御回路）
１８、１８Ｉ、１８Ｑ 低周波重畳回路
２３Ｉａ、２３Ｑａ 駆動振幅制御回路Ａ（第１制御回路）
２３Ｉｂ、２３Ｑｂ 駆動振幅制御回路Ｂ（第２制御回路）
５０、６０、７０ 光変調モジュール
１２５ 線形モニタ回路（電圧モニタ回路）
１２６ 電力モニタ回路
１２７ メモリ

Claims (8)

1. 一対のマッハツェンダ光変調器と、
   前記一対のマッハツェンダ光変調器の合波出力光を光電変換した電圧成分をモニタする電圧モニタ回路と、
   前記一対のマッハツェンダ光変調器の合波出力光を光電変換して二乗検波した電力成分をモニタする電力モニタ回路と、
   前記電力モニタ回路の出力に基づいて、前記合波出力光の交流成分が最小になるように各前記マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路のうちの一方の光導波路の基板バイアス電圧または駆動振幅を制御する第１制御回路と、
   前記電圧モニタ回路の出力に基づいて、前記合波出力光の強度が最大になるように前記２つの光導波路の他方の光導波路の基板バイアス電圧または駆動振幅を制御する第２制御回路と、
   を有することを特徴とする光通信装置。
2. 前記第１制御回路は、前記電力モニタ回路の出力に基づいて前記一方の光導波路の前記駆動振幅を制御し、前記一方の光導波路の前記基板バイアス電圧を入力光の波長に応じた所定の電圧値に設定し、
   前記第２制御回路は、前記電圧モニタ回路の出力に基づいて前記他方の光導波路の前記駆動振幅を制御し、前記他方の光導波路の前記基板バイアス電圧を入力光の波長に応じた所定の電圧値に設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
3. 前記第１制御回路は、前記電力モニタ回路の出力に基づいて前記一方の光導波路の前記基板バイアス電圧を制御し、前記一方の光導波路の前記駆動振幅を固定値に制御し、
   前記第２制御回路は、前記電圧モニタ回路の出力に基づいて前記他方の光導波路の前記基板バイアス電圧を制御し、前記他方の光導波路の前記駆動振幅を前記固定値に制御することを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
4. 各前記マッハツェンダ光変調器の基板バイアス電圧または駆動信号に低周波信号を重畳する低周波発生器、
   をさらに有し、
   前記第１制御回路は、前記合波出力光に含まれる低周波成分が最小となるように前記一方の光導波路の前記基板バイアス電圧または前記駆動振幅を制御し、
   前記第２制御回路は、前記合波出力光に含まれる前記低周波成分が最小となるように前記他方の光導波路の前記基板バイアス電圧または前記駆動振幅を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記際の光通信装置。
5. 各前記マッハツェンダ光変調器の基板バイアス電圧または駆動信号に低周波信号を重畳する低周波発生器、
   をさらに有し、
   前記第１制御回路は、前記合波出力光に含まれる低周波成分が最小となるように前記一方の光導波路の前記駆動振幅を制御し、かつ前記一方の光導波路の前記基板バイアス電圧を前記入力光の波長に応じた前記所定の電圧値に設定し、
   前記第２制御回路は、前記合波出力光に含まれる前記低周波成分が最小となるように前記他方の光導波路の前記駆動振幅を制御し、かつ前記他方の光導波路の前記基板バイアス電圧を前記入力光の波長に応じた前記所定の電圧値に設定する、
   ことを特徴とする請求項２に記際の光通信装置。
6. 各前記マッハツェンダ光変調器の基板バイアス電圧または駆動信号に低周波信号を重畳する低周波発生器、
   をさらに有し、
   前記第１制御回路は、前記合波出力光に含まれる低周波成分が最小となるように前記一方の光導波路の前記基板バイアス電圧を制御し、かつ前記一方の光導波路の前記駆動振幅を固定値に制御し、
   前記第２制御回路は、前記合波出力光に含まれる前記低周波成分が最小となるように前記他方の光導波路の前記基板バイアス電圧を制御し、かつ前記他方の光導波路の前記駆動振幅を前記固定値に制御する、
   ことを特徴とする請求項３に記際の光通信装置。
7. 前記マッハツェンダ光変調器は、半導体マッハツェンダ光変調器であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光通信装置。
8. 一対のマッハツェンダ光変調器の合波出力光を光電変換した電圧成分と、前記電圧成分を二乗した電力成分とをモニタし、
   前記電力成分のモニタ結果に基づいて、前記合波出力光の交流成分が最小になるように各前記マッハツェンダ光変調器の２つの光導波路のうちの一方の光導波路の基板バイアス電圧または駆動振幅を制御し、
   前記電圧成分のモニタ結果に基づいて、前記合波出力光の強度が最大になるように前記２つの光導波路の他方の光導波路の基板バイアス電圧または駆動振幅を制御する、
   ことを特徴とする光変調器の制御方法。

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