JP2017026989A - 光送信機、及び光変調器の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光変調器の動作特性が変化する環境でも、所望の値に設定された光位相変調率を一定に保つ。【解決手段】光送信機は、マッハツェンダ型の光変調器と、前記光変調器を駆動する駆動信号または前記光変調器の基板バイアス電圧に重畳されるパイロット信号を生成するパイロット生成部と、前記光変調器の出力光に含まれるパイロット成分と直流成分の比を検出し、前記比が一定値になるように前記駆動信号の振幅または前記基板バイアス電圧を制御する制御部と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、光送信機と、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）のマッハツェンダ（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。

図１に示すように、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。半導体光変調器では、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。吸収端波長はまた、温度変化や経年変化によっても変化する。

一方、半導体光変調器は、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、光変調器の動作点、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（振幅中心の電位）を決めるバイアス電圧を「基板バイアス」と称し、他のバイアス電圧と区別する。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。図２に示すように、マッハツェンダ光変調器では、基板バイアスは駆動信号の中心電位が光信号の強度の最低点にくるように制御される。これは半導体光変調器に限らない。

半導体光変調器における変調特性の波長依存性の問題に対して、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、光源波長に応じて、基板バイアスをあらかじめ決められた固定電圧値に設定する。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の駆動振幅をフィードバック制御して光位相変調率を１００％にする方法である。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）。

光変調器の温度変化への対策としては、一般にペルチェ素子により光変調器の温度を一定に制御している。

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、電圧対位相特性に経年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）にも経年変化を生じる場合がある。

一方、変調方式によっては、光位相変調率を１００％以下の任意の値に設定することが求められているが、特許文献２では変調率１００％が前提とされており、任意変調率では機能しない。

そこで、光変調器の動作特性が変化する環境でも、所望の光位相変調率を一定に保つことのできる光送信機と、光変調器の制御方法を提供することを課題とする。

ひとつの態様では、光送信機は、
マッハツェンダ型の光変調器と、
前記光変調器を駆動する駆動信号または前記光変調器の基板バイアス電圧に重畳されるパイロット信号を生成するパイロット生成部と、
前記光変調器の出力光に含まれるパイロット成分と直流成分の比を検出し、前記比が一定値になるように前記駆動信号の振幅または前記基板バイアス電圧を制御する制御部と、を有する。

光変調器の動作特性が変化する環境でも、所望の光位相変調率を一定に保つことができる。

半導体光変調器の電圧対光位相特性を示す図である。 マッハツェンダ型の光変調器の駆動電圧と光強度の関係を示す図である。 第１実施形態の光送信機の概略図である。 低周波パイロット信号の重畳と光出力に含まれるパイロット成分を説明する図である。 変調率と、光変調器の出力の平均光電力の関係を示す図である。 変調率と、光変調器の出力に含まれるパイロット成分の関係を示す図である。 変調率と、パイロット成分対光電力比の関係を示す図である。 基板バイアスを制御して変調率を一定に保つ制御を説明する図である。 駆動振幅を制御して変調率を一定に保つ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図である。 第３実施形態の光送信機の概略図である。 第４実施形態の光送信機の概略図である。 第５実施形態の光送信機の概略図である。 第６実施形態の光送信機の概略図である。

実施形態では、経年変化、温度変化、光源波長の変化などの変動要因により光変調器の動作特性や電圧対位相特性が変化する環境下でも、所望のレベルに設定された光位相変調率を一定に保つことのできる構成と手法を提供する。

変調方式に応じて光変調器の変調率を１００％未満に設定することが要求される場合の例として、以下の例が挙げられる。
（１）ナイキストパルス変調時は駆動波形のオーバーシュートが大きくなるため、波形のピーク値を変調率１００％より小さくするために平均変調率を１００％未満下に下げる。
（２）ナイキストパルス変調または多値直交位相変調（１６ＱＡＭ等）時には、光変調器の電圧対位相の関係が線形であることが望ましい。しかし、半導体光変調器では一般に電圧対位相の関係が非線形であるため、線形性を確保するために変調率を下げる。

上述した変動要因の例示のうち、経年変化に対しては、フィードバック制御を行う。温度変化については、ペルチェ素子による温度安定化、またはフィードバック制御を行う。半導体光変調器の場合の波長依存性については、基板バイアスをフィードフォワード制御またはフィードバック制御する。フィードバック制御は、基板バイアスまたは駆動振幅に低周波のパイロット信号を重畳し、光変調器の出力のモニタ信号に含まれる低周波のパイロット成分と直流成分（平均光電力）の比が一定になるように、基板バイアスまたは駆動振幅を制御する。このフィードバック制御により、所望の値に設定された変調率を一定に保つ。
＜第１実施形態＞
図３は、第１実施形態の光送信機１Ａの概略図である。光送信機１Ａは、光源１１と、マッハツェンダ光変調器１２（以下、適宜「光変調器１２」と略称する）と、光変調器１２を駆動する駆動回路１３ａ、１３ｂと、制御部１５Ａを有する。制御部１５Ａは、受光素子１５１と、ＤＣ（Direct Current：直流）モニタ１５２と、ＡＣ（Alternating Current:交流）モニタ１５３と、比制御部１５５を有する。比制御部１５５は、受光素子１５１で検出されたモニタ信号に含まれるパイロット成分と、モニタ信号の直流成分（または平均光電力）の比が一定になるように、基板バイアスまたは駆動振幅を制御する。

光源１１は、たとえば半導体レーザであり、波長分割多重（ＷＤＭ）伝送システムに対応できるように波長可変機能を有する。光変調器１２は、一対の光導波路１２ａ、１２ｂで形成されるマッハツェンダ干渉計を有する。光源１１から出力された光は光変調器１２に導かれ、光導波路１２ａと１２ｂに分岐される。駆動回路１３ａ及び１３ｂは、入力される電気信号を増幅し、高速駆動信号（たとえば、３２Ｇｂ／ｓ）で光導波路１２ａ、１２ｂを伝搬する光波を変調する。光導波路１２ａと１２ｂに印加される駆動信号は互いに逆相の信号であり、光導波路１２ａと１２ｂで光波の位相が逆極性で変調される。光導波路１２ａと光導波路１２ｂでそれぞれ変調された光波は合波され、光変調器１２から出力される。この出力信号は、０ラジアンとπラジアンの２値変調がかかった光信号となる。

光送信機１Ａはまた、光変調器１２の光導波路Ａ（１２ａ）と光導波路Ｂ（１２ｂ）に印加される基板バイアス電圧を制御する基板バイアス電圧回路１７と、光変調器１２の温度を制御する変調器温度制御部２５と、低周波パイロット生成部１８を有する。低周波パイロット生成部１８は、駆動信号と比較して十分に低い周波数（たとえば数ｋＨｚ）のパイロット信号を生成する。パイロット信号は、駆動回路１３ｂまたは基板バイアス電圧回路１７に供給されて、駆動振幅または基板バイアスに重畳される。図３で低周波パイロット生成部１８から基板バイアス電圧回路１７へ延びる破線の矢印は、パイロット信号を低周波駆動回路１３ｂ（または駆動回路１３ａ）に替えて基板バイアス電圧回路１７に入力してもよいことを示す。なお、図３では、駆動信号と基板バイアスが印加される信号電極は省略してある。信号電極は、たとえば光の進行方向に沿って光導波路１２ａ、１２ｂのそれぞれに設けられる進行波電極である。信号電極と駆動回路１３ａ、１３ｂは、コンデンサを介して交流結合し、基板バイアスは直流的に信号電極に印加される。

制御部１５Ａは、光変調器１２の出力の一部を受光素子１５１でモニタし、ＡＣモニタ１５３でモニタ信号に含まれるパイロット成分を検出する。ＤＣモニタ１５２は、モニタ信号の直流成分、すなわち平均光電力を検出する。なお、受光素子１５Ｉの出力である電流は、図示しないトランスインピーダンスアンプで電圧信号に変換されてＡＣモニタ１５３とＤＣモニタ１５２に入力される。比制御部１５５は、パイロット成分と直流成分の比が一定になるように、基板バイアス電圧または駆動振幅を制御する。パイロット成分と直流成分の比は、パイロット対直流比（パイロット／直流）であってもよいし、直流対パイロット比（直流／パイロット）であってもよい。図３で比制御部１５５から駆動回路１３ｂに延びる破線の矢印は、制御信号を基板バイアス電圧回路１７に替えて駆動回路１３ｂに供給してもよいことを示す。

ＡＣモニタ１５３がパイロット成分をアナログ検出する場合は、低周波パイロット生成部１８で生成されたパイロット信号をＡＣモニタ１５３に供給して同期検波してもよい。あるいはファームウェアを用いてＡＣモニタ１５３を実現してもよい。

パイロット成分と直流成分（平均光電力）の比を所定の値になるように一定制御することで、光変調器１２の電圧対位相特性の変化にかかわらず、光位相変調率（以下、単に「変調率」と略称する）を一定に維持することができる。パイロット成分と直流成分の比の値は、変調率に対応している。逆にいうと、パイロット成分と直流成分の比の制御目標値を変えることで、変調率を変えることができる。また、パイロット成分と直流成分の比の値は、変調方式（ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ，１６ＱＡＭ等）によって変化するため、変調方式に応じて異なる値を使用する。図３の例ではＢＰＳＫの変調率に応じたパイロット／直流比が用いられる。パイロット成分と直流成分の比は、あらかじめメモリに記憶して設定に応じて読み出して用いてもよいし、変調率の設定の度に計算してもよい。

図４〜図９を参照して、パイロット成分と直流成分の比の制御の基本概念を説明する。制御の第１指標である直流成分、すなわち光変調器１２の平均光電力について説明する。図４は、低周波パイロット信号の重畳と光出力から検出されるパイロット成分を示す。この図は変調率５０％の例である。２つの導波路１２ａ、１２ｂで変調を受ける光波の間に位相差を発生させる駆動信号に低周波ｆ０のパイロット信号を重畳すると、駆動信号の振幅が低周波ｆ０で微小に変動する。マッハツェンダ干渉計を用いる光位相変調では、光強度が最小となる点を中心に変調をかける。光強度の最小点にある振幅中心から両側のピークまで変調をかける場合は、１００％の光位相変調に対応し、変調器の光出力にパイロット成分は表れない。変調率が１００％よりも低い場合は、図４の右側に示すように、光出力にパイロット成分が現れる。

図５は変調率と、光変調器の出力光の平均光電力の関係を示す。変調率が低いほど平均光電力が小さくなる。したがって、平均光電力を一定とする制御を行うことで、変調率を一定に維持することが考えられる。しかし、平均光電力は他の要因、たとえば、光源１１のレーザダイオード（ＬＤ）の出力変化や光変調器１２の損失の変化等によっても変化するため、平均光電力のみを用いることは適切でない。

制御の第２指標であるパイロット成分について説明する。図４に示すように、マッハツェンダ干渉計を用いる光位相変調では、電圧対光強度の関係が三角関数（正弦波）的であり、図５に示すように変調率に応じて光強度（平均光電力）の傾きが変化する。したがって、光変調器１２の出力に含まれるパイロット成分が一定になるように制御することで、光信号の強度傾斜を一定、すなわち変調率を一定に維持することが考えられる。

しかし、図６に示すように、変調率６０％近傍を境に、光変調器１２の出力に含まれるパイロット成分の強度傾斜は逆転する。そのため、変調率が６０％付近で制御の方向を判断するのが困難になる。また、パイロット成分の強度も平均光電力と同様に、光源１１のＬＤ出力の変化や光変調器１２の損失変化によって変化してしまう。

そこで、光変調器１２の出力に含まれるパイロット成分と直流成分（すなわち平均光電力）の比をとることで、変調率変化以外の変化要因（ＬＤ出力や損失の変化）の影響をキャンセルする。さらに、図７に示すように、パイロット成分と直流成分の比をとることで、変調率に対する変化の方向を同じ方向にすることができる。したがって、パイロット成分と直流成分の比を所望の変調率に保つための制御の方向が明確である。

たとえば、変調率が７５％に設定されている場合に、パイロット成分と直流成分の比が０．５よりも小さい場合は、比を大きくする方向に制御し、比が０．５よりも大きい場合は比を小さくする方向に制御する。なお、図７の縦軸は比を１で正規化した値である。

パイロット成分と直流成分の比を一定にして変調率を一定に保つ手段として、基板バイアスを制御する方法と、駆動振幅を制御する方法がある。図８は、基板バイアスを制御して変調率を一定に保つ制御を説明する図である。この場合、駆動振幅は固定とする。光源波長λの変化に応じてＶπ電圧は変化する。光源波長λが長波長側（λ＋Δλ）に変化するとＶπ電圧は大きくなる。光源波長λが短波長側（λ−Δλ）に変化するとＶπ電圧は小さくなる。このような電圧対位相特性（変調特性）の変化は、光源波長の変化だけではなく、温度や経年による変化によっても生じる。パイロット成分と直流成分の比を一定に制御するということは、図８の双方向矢印ａ、ｂ、ｃに示すように、光源波長や温度等の変化にかかわらず、電圧対位相曲線（変調曲線）の傾きが同じところで、光変調器１２に印加される基板バイアスを同相で制御することに相当する。

図９は、駆動振幅を制御して変調率を一定に保つ制御を説明する図である。この場合、基板バイアスは固定とする。光変調器１２の２つの導波路１２ａ、１２ｂを伝搬する光波の間に位相差がない場合、導波路１２ａと１２ｂの合波出力は互いに強め合って高電力信号となる。２つの光波の間に位相差πがあるときは、互いに打ち消し合って低電力信号となる。０ラジアからπラジアンへの位相シフトは変調率１００％に対応する。また、位相差をπより小さくすることで１００％より小さい変調率とすることができる。

基板バイアスが一定の場合、光源波長の変化、温度変化、経年変化等の諸要因により、光変調器１２の位相傾斜が変化する。たとえば、光源波長λからλ＋Δλに変化すると、同じ変調度を実現するための位相傾きは緩やかになる。光源波長がλからλ−Δλに変化すると、同じ変調度を実現するための位相傾きは急峻になる。パイロット成分と直流成分の比を一定に制御するということは、図９の双方向矢印ａ、ｂ、ｃに示すように、駆動振幅を変化させることにより変調率を一定に維持することに相当する。なお、図９の横軸はバイアス電圧を示し、±π／２に対応する位置は最適なバイアス点（駆動振幅の中心位置）を示す。

このように、パイロット成分と直流成分の比を制御することで、光変調器１２や駆動回路１３の経年変化、光源波長の変化、温度変化、初期ばらつきなどに対して、所望の変調率を維持することができる。

図３の光送信機１Ａでは、光源１１の波長の変化と、光変調器１２または駆動回路１３の経年変化に対して制御部１５Ａによるフィードバック制御を行っている。温度変化に対しては、ペルチェ素子等を用いた変調器温度制御部２５による温度制御を行っているが、後述するように温度変化に対しても制御部１５Ａによるフィードバック制御を行ってもよい。また、光変調器１２の出力に含まれるパイロット成分と直流成分（平均光電力）の比を用いた制御は、半導体光変調器に限定されず、電気光学効果を用いた光変調器にも適用される。電気光学効果を用いた光変調器は、半導体光変調器と比較して波長依存性が小さいが、パイロット成分と直流成分の比に応じて駆動振幅を制御することで、経年変化や温度変化にかかわらず変調率を一定にすることができる（図３の比制御部１５５から駆動回路１３ｂへの破線の矢印参照）。
＜第２実施形態＞
図１０は、第２実施形態の光送信機１Ｂの概略図である。光送信機１Ｂは、第１実施形態の光送信機１Ａを基本構成としているので、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付けて、相違点を中心に説明する。

光送信機１Ｂは、光変調器１２の出力に接続される光アンプ３１と、増幅された光信号をモニタしてパイロット成分と直流成分の比を一定に制御する制御部１５Ｂを有する。第１実施形態と同様に、低周波のパイロット信号が駆動振幅または基板バイアスに重畳されており、変調率が１００％よりも低い値に設定されている場合は、光変調器１２の出力光中にパイロット成分が含まれている。

制御部１５Ｂは、受光素子１５１と、ＤＣモニタ１５２と、ＡＣモニタ１５３と、比制御部１５５に加えて、光出力一定制御部１５６を有する。光出力一定制御部１５６は、ＤＣモニタ１５２のモニタ結果に基づき光アンプ３１のゲインを調整して、光出力を一定にする。これにより、直流成分すなわち平均光電力を一定にする。

この構成では、受光素子１５１のモニタレベルが高くなり、制御精度が向上する。また、直流成分が一定化されるので、パイロット成分と直流成分の比を一定にする制御は、低周波ｆ０のパイロット成分を一定値にする制御となる。

これにより、光源波長の変化や光変調器１２の一対の導波路１２ａ、１２ｂの経年変化にかかわらず、所望の値に設定された変調率を一定に保つことができる。温度変化に対しては、ペルチェ素子等を用いた変調器温度制御部２５で安定化してもよい。光出力一定制御部１５６は、必ずしも制御部１５Ｂの内部に配置されなくてもよく、制御部１５Ｂの外部に設けられてもよい。

光アンプ３１とともに、または光アンプ３１に替えて、光可変減衰器を用いてもよい。この場合は、光変調器１２の出力光の直流成分が一定となるように、光可変減衰器の減衰量を一定値に制御し、パイロット成分を所定値になるように制御する。あるいは、光変調器の出力光の直流成分が一定となるように、光源１１の光出力を制御してもよい。
＜第３実施形態＞
図１１は、第３実施形態の光送信機１Ｃの概略図である。光送信機１Ｃは、第１実施形態の光送信機１Ａを基本構成としているので、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付けて、相違点を中心に説明する。

第３実施形態では、基板バイアス電圧回路１７にメモリ１９が接続され、基板バイアスをフィードフォワード制御する。メモリ１９は、たとえば、光源波長と基板バイアス電圧の対応関係を記述するテーブルまたは演算式を有する。基板バイアス電圧回路１７は、メモリ１９から光源波長と基板バイアス電圧の対応関係を読み出して、光源波長に応じた基板バイアスを設定する。変調器温度制御部２５は、光変調器１２の温度を一定に制御する。

制御部１５Ａは第１実施形態の制御部１５Ａと同様の構成を有する。光変調器１２の出力の一部を受光素子１５１でモニタし、ＤＣモニタ１５２とＡＣモニタ１５３で、それぞれ光出力に含まれる直流成分（平均光電力）とパイロット成分を検出する。比制御部１５５は、パイロット成分と直流成分の比が一定になるように、駆動振幅を制御する。パイロット信号自体は、駆動信号に重畳されてもよいし、基板バイアスに重畳されてもよい。

第３実施形態の構成では、波長依存性はフィードフォワード制御、温度変化はペルチェ素子等による安定化制御、光変調器１２の経年変化はパイロット信号を用いたフィードバック制御で対処する。この構成でも、光源波長の変化、温度変化、経年変化等にかかわらず、所望の値に設定された変調率を一定に維持することができる。第３実施形態の構成は、主として光変調器１２が半導体光変調器である場合に適している。
＜第４実施形態＞
図１２は、第４実施形態の光送信機１Ｄの概略図である。光送信機１Ｄは、第１実施形態の光送信機１Ａを基本構成としているので、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付けて、相違点を中心に説明する。

第４実施形態では、変調器温度制御部２５とメモリ１９をなくして、経年変化、温度変化、光源波長の変化をフィードバック制御で対処して、変調率を一定にする。低周波パイロット生成部１８は、駆動信号または基板バイアスに低周波のパイロット信号を重畳する。制御部１５Ａは、受光素子１５１で光変調器１２の出力の一部をモニタする。ＤＣモニタ１５２とＡＣモニタ１５３は、それぞれ光出力に含まれる直流成分とパイロット成分を検出する。比制御部１５５は、パイロット成分と直流成分の比を一定にするように基板バイアス電圧を制御する。基板バイアス電圧の制御に替えて、駆動振幅を制御してもよい。

第４実施形態の構成は、温度制御や基板バイアスのフィードフォワード制御を排除できる点で有利である。この構成も、半導体光変調器を用いる場合に適している。
＜第５実施形態＞
図１３は、第５実施形態の光送信機１Ｅの概略図である。光送信機１Ｅは、第１実施形態の光送信機１Ａを基本構成としているので、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付けて、相違点を中心に説明する。

光送信機１Ｅは、ｘ−ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）変調方式に用いられる。ＱＡＭは、位相がπ／２（９０°）ずれた２つの正弦波を個別に振幅変調して合成する変調方式である。２つのマッハツェンダ光変調器１２Ｉと１２Ｑを用いて、０ラジアンとπラジアンの間の位相シフトと、π／２ラジアンと３π／２ラジアンの間の位相シフトを組み合わせる。複数の振幅レベルを用いることで、より多値の変調とする。導波路１２Ｉａと１２Ｉｂで変調される光波の位相差、及び１２Ｑａと１２Ｑｂで変調される光波の位相差をπラジアンより小さい値に設定することで、所望の変調率にすることができる。

Ｉ（In-phase：同相）変調系列とＱ（Quadrature：直交位相）変調系列の両方に一つの振幅の電気信号を供給する場合は４−ＱＡＭとなり、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）となる。いずれか一方の変調系列への電気信号をオフにする場合は２−ＱＡＭとなり、図３のようにＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）となる。２つの異なる振幅の電気信号を用いる場合は８−ＱＡＭとなり、３ビットの情報を伝達できる。４つの異なる電圧レベルの電気信号を用いる場合は１６ＱＡＭとなり、４ビットの情報を伝達できる。

光源１１からの光は分岐されて、２つのマッハツェンダ光変調器１２Ｉ及び１２Ｑ（以下、「Ｉ変調器１２Ｉ」、「Ｑ変調器１２Ｑ」と略称する）にそれぞれ入力される。Ｉ変調器１２ＩとＱ変調器１２Ｑの各々で、入力光が２つに分岐され、光導波路Ａと光導波路Ｂに入力される。Ｉ変調器１２Ｉの出力とＱ変調器１２Ｑの出力はそれぞれπ／２シフタ２１Ｉ、２１Ｑで位相調整を受ける。Ｉ変調器１２Ｉからの光波とＱ変調器１２Ｑからの光波の間にπ／２ラジアン（９０度）の位相差が付加されてから合波され、出力される。

低周波パイロット生成部１８で生成されるパイロット信号は、Ｉ基板バイアス電圧回路１７Ｉ、Ｑ基板バイアス電圧回路１７Ｑ、Ｉ位相バイアス回路１６Ｉ、Ｑ位相バイアス回路１６Ｉに供給される。また、図示の便宜上、結線を省略しているが、パイロット信号はπ／２シフタ２１Ｉと２１Ｑにも供給される。基板バイアスと位相バイアスとπ／２シフトバイアスに低周波のパイロット信号が重畳される。位相バイアスは、マッハツェンダ干渉計の２つの導波路で変調される光波の静的な位相差を決める電圧である。なお、光変調器１２Ｉの導波路１２Ｉａと１２Ｉｂに設けられる信号電極と位相バイアス電極、及び光変調器１２Ｑの導波路１２Ｑａと１２Ｑｂに設けられる信号電極と位相バイアス電極は省略してある。

Ｉ（同相）成分とＱ（直交）成分の合波後の出力光の一部が、制御部１５Ｅの受光素子１５１でモニタされる。制御部１５Ｅは、ＤＣモニタ１５２、ＡＣモニタ１６３、及び比制御部１５５により、出力光に含まれるパイロット成分と直流成分の比を一定に制御する。パイロット成分と直流成分の比を一定に制御するための第１制御信号は、Ｉ基板バイアス電圧回路１７Ｉ、及びＱ基板バイアス電圧回路１７Ｑに供給される。

位相バイアスに重畳されたパイロット信号の成分は、ＡＣモニタ１６３で検出される。ＡＣモニタ１６３は、光変調器１２Ｉ及び１２Ｑの光出力に含まれるパイロット成分を最小にする第２制御信号を、Ｉ位相バイアス回路１６ＩとＱ位相バイアス回路１６Ｑに出力する。ＡＣモニタ１６３はまた、Ｉ変調器１２Ｉの出力とＱ変調器１２Ｑの出力の間にπ／２の位相差を与える第３制御信号を、π／２シフタ２１Ｉと２１Ｑに出力する。第３制御信号は、光変調器１２Ｉ及び１２Ｑの光出力の交流成分を最小にする制御信号である。この場合、図示は省略するが、交流成分を得るモニタ回路をＡＣモニタ１５２と別に設ける。パイロット信号を検出するＡＣモニタは数百ｋＨｚの帯域でよいが、交流電力成分を検出する（電圧の２乗検波）モニタ回路はたとえば数百ＭＨｚの帯域をもつ。

基板バイアスの制御と、位相バイアスの制御と、π／シフトバイアスの制御は、アナログ電子回路でもデジタル信号処理によっても実現できる。これらの制御は、個別の回路を設けて並列処理することも可能であるが、回路規模を縮小する観点から、ＣＰＵを用いた時分割制御が有効である。

なお、低周波パイロット信号を基板バイアスに重畳する替わりに、駆動信号に重畳してもよい。この場合、駆動回路１３Ｉａと１３Ｉｂに互いに同相のパイロット信号を重畳してもよい。同様に、駆動回路１３Ｑａと１３Ｑｂに互いに同相のパイロット信号を重畳してもよい。また、第１制御信号で基板バイアスを制御するかわりに、駆動振幅を制御してもよい。さらに変調器温度制御部２５Ｉ，２５Ｑを省略して、温度変化による変調率の変動を第１制御信号で解消してもよい。

また、制御部１５Ｅに第２実施形態のＤＣ一定制御の機能を持たせてもよい。この場合は、直流成分は一定に制御され、第１制御信号により低周波のパイロット成分が所定値となるように基板バイアスまたは駆動振幅が制御される。
＜第６実施形態＞
図１４は、第６実施形態の光送信機１Ｆの概略構成を示す。第６実施形態では、パイロット成分と直流成分の比に基づく変調率制御を、偏波多重ＱＡＭ変調（ＤＰ−ＱＡＭ）に適用する。

光送信機１Ｆは、Ｘ偏波系列の光変調部３Ｘと、Ｙ偏波系列の光変調部３Ｙを有する。光変調部３Ｘと光変調部３Ｙの構成は、それぞれ図１３の構成と同じであり、重複する説明を省略する。

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、マッハツェンダ光変調器１２Ｉ及び１２Ｑに入力される（以下、適宜「Ｉ変調器１２Ｉ」、「Ｑ変調器１２Ｑ」と称する）。Ｘ偏波系列とＹ偏波系列のそれぞれに制御部１５Ｅが設けられる。制御部１５Ｅは、変調光に含まれるパイロット成分と直交成分の比を一定にする第１制御信号と、位相バイアスを制御する第２制御信号と、π／２シフトバイアスを制御する第３制御信号を出力する。第１制御信号を用いて、パイロット成分と直流成分の比が所定値と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、変動要因にかかわらず所望の変調率を保つことができる。Ｘ偏波系列とＹ偏波系列の各々に制御部１５Ｅを設けるかわりに、偏波多重回路４９の出力の一部をモニタ光として検出してもよい。また、制御部１５Ｅに第２実施形態のＤＣ一定制御の機能を持たせてもよい。この場合は、直流成分は一定に制御され、第１制御信号により低周波のパイロット成分が所定値となるように基板バイアスまたは駆動振幅が制御される。なお、図１４では、Ｘ偏波系列とＹ偏波系列のいずれか一方に配置される偏波ローテータは省略してある。

以上述べたように、実施形態の光送信機１Ａ〜１Ｆでは、ＬＤ変化や損失の影響をキャンセルし、光変調器の経年変化、光源波長の変化、温度変化などに依らず、所望の変調率を一定に保つことができる。

１Ａ〜１Ｆ 光送信機
１１ 光源
１２、１２Ｉ、１２Ｑ 光変調器
１２Ｉａ、１２Ｉｂ，１２Ｑａ、１２Ｑｂ 光導波路Ａ
１３、１３Ｉａ、１３Ｉｂ、１３Ｑａ、１３Ｑｂ 駆動回路
１５、１５Ａ、１５Ｂ，１５Ｅ 制御部
１７ 基板バイアス電圧回路
１８ 低周波パイロット生成部
２５ 変調器温度制御部
３１ 光アンプ
１５１ 受光素子
１５２ ＤＣモニタ（第１モニタ）
１５３，１６３ ＡＣモニタ（第２モニタ）
１５５ 比制御部

Claims (9)

1. マッハツェンダ型の光変調器と、
   前記光変調器を駆動する駆動信号または前記光変調器の基板バイアス電圧に重畳されるパイロット信号を生成するパイロット生成部と、
   前記光変調器の出力光に含まれるパイロット成分と直流成分の比を検出し、前記比が一定値になるように前記駆動信号の振幅または前記基板バイアス電圧を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする光送信機。
2. 前記制御部は、前記光変調器の出力光を電気信号に変換する受光素子と、前記電気信号から直流成分を検出する第１モニタ、前記電気信号からパイロット成分を検出する第２モニタと、前記直流成分と、前記パイロット成分の比を一定に保つ比制御部とを有することを特徴とする請求項１に記載の光送信機。
3. 前記制御部は、前記直流成分の電力を一定レベルに維持し、前記パイロット成分の電力を所定の値に制御することを特徴とする請求項１に記載の光送信機。
4. 前記光変調器の出力レベルを調整する光レベル調整器と、
   前記直流成分の電力が一定レベルとなるように前記光レベル調整器の利得または減衰量を調整する光出力一定制御部と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の光送信機。
5. 前記比は、前記光変調器の変調率に応じて決まる値であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光送信機。
6. 前記比は、前記光送信機の変調方式に応じて決まる値であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光送信機。
7. 前記光変調器は半導体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項に記載の光送信機。
8. マッハツェンダ型の光変調器を駆動する駆動信号または前記光変調器の基板バイアス電圧にパイロット信号を重畳し、
   前記光変調器の出力光に含まれるパイロット成分と直流成分の比を検出し、
   前記比が一定値になるように前記駆動信号の振幅または前記基板バイアス電圧を制御する、
   ことを特徴とする光変調器の制御方法。
9. 前記直流成分の電力を一定レベルに制御し、前記パイロット成分の電力を所定の値に制御することを特徴とする請求項８に記載の光変調器の制御方法。

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