JP3828706B2 - 光送信器及び光伝送システム - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、電界吸収型（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ、以下ＥＡと略す）光変調器ならびにこれをＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ；分布帰還型、以下ＤＦＢと略す）レーザと集積化したＥＡ／ＤＦＢ集積化光源を搭載した光送信器、及び、その光送信器が適用される光伝送システムに関する。
【従来の技術】
近年の情報通信市場の急激な成長に伴い、高速光伝送を目的とした光送信器の開発が活発に行われている。これら光送信器の光源あるいは発光素子としては、中継距離を伸ばすためにファイバ損失が最小となる１．５μｍ帯域のレーザ光を用いることが一般的である。しかし、既設のファイバの大部分は、１．３μｍ帯域光にて群速度分散が０となる通常分散ファイバであり、１．５μｍ帯域光に対する通常分散ファイバの群速度分散は大きなものとなる。
光送信器の特性の一つであるチャープが、この大きな群速度分散の影響を受けることにより、光パルスの伝送劣化が発生する。また、長距離伝送時に光アンプを用いる場合には、光ファイバの非線形効果による波形劣化が発生する。
チャープとは光の強度変調にともなう周波数ゆらぎであり、通常分散ファイバ伝送路において、高品位な高速光伝送を実現するためには、ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ， ＶＯＬ．８．ＮＯ．７，ＪＵＬＹ １９９６ ９４４〜９４６ページなどに示される様に、光送信器のチャープを低減すること、及び、各々の実装回線での光ファイバの非線形効果を考慮した最適化が重要となる。
数１０ｋｍ以上の通常分散ファイバ伝送路における１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速光送信器には、レーザ直接変調方式に比較してより低チャープ性に優れた外部変調方式を採用することが必須となっており、特にレーザ光源との小型集積化に適するＥＡ光変調器が注目され，これをＤＦＢレーザと集積化したＥＡ／ＤＦＢ集積化光源が実用化されている。
ＥＡ／ＤＦＢ集積化光源を用いる利点としては、光送信器の小型化、低消費電力化が挙げられ、例えば、１９９９年電子情報通信学会通信ソサエティ大会Ｂ−１０−９１やＩＥＥＥ ＧＬＯＢＥＣＯＭ１９９６ ＣＯＮＦＥＲＲＥＮＣＥ ＲＥＣＯＲＤ １９１６〜１９１９ページなどに示されるよう、近年盛んに研究開発されている高速ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ；波長多重化）システムやＴＤＭ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ；時分割多重）システムにおいても有利な光源（発光素子）として使用されている。
ＥＡ光変調器またはＥＡ／ＤＦＢ集積化光源のチャープは、光吸収係数変化量に対する屈折率変化量（この比をαパラメータと呼ぶ）にて特徴づけられ、αパラメータとファイバ伝送特性との間には密接な関連が存在する。よって、ＥＡ光変調器またはＥＡ／ＤＦＢ集積化光源を搭載した光送信器のファイバ伝送特性の制御、及び、最適化を行うにはαパラメータの詳細な制御が必要となる。
図１にＥＡ光変調器のαパラメータ（α）と規格化光出力比特性のＥＡ光変調器印加電圧（Ｖｅａ）に対する測定結果例を示す。図より分かるようにαパラメータと規格化光出力比特性はＥＡ光変調器印加電圧依存性を有し、その制御はＥＡ光変調器駆動電圧のバイアス電圧と駆動振幅を制御することにより可能となる。
任意の光伝送システムに適合するようにαパラメータを任意に設定可能なＥＡ光変調器の駆動方法及びＥＡ光変調器の特性変動を補償して安定化を図るための方式が報告されている。
図２に特開平１１−１１９１７６号公報に示される送信器の例を示す。駆動部８は、バイアス・振幅制御回路部９にて設定されるバイアス・駆動振幅にてＥＡ光変調器４を駆動する。ＥＡ光変調器４は、発光素子５からの前方出力光に変調をかけ、変調出力光７を出射する。光源５の出力光強度は、後方出力をＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ；ホトダイオード、以下ＰＤと略す）６にてモニタし、その変動量をＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ；自動光出力制御回路、以下ＡＰＣと略す）１１が補正し駆動電流源１０にフィードバックをかけることにより安定化される。
図において、発光素子５が出射した光はＥＡ光変調器４に吸収され光電流（以下Ｉｐｈとする）に変換される。Ｉｐｈの量は発光素子５の出力光強度とＥＡ光変調器印加電圧レベルに応じて変化するので、電界吸収量モニタ２５はそのＩｐｈの量をモニタし、バイアス・振幅制御部９を通じて駆動部８にフィードバックをかけることによりＥＡ光変調器印加電圧レベルと変調出力光強度７を一定に保つことができる。
図３に特開平９−１７９０７９号公報に示される送信器の例を示す。図において、ＥＡ光変調器４を通過した変調光は光カプラ１５により分岐され、片方は変調光出力７となる。もう片方は光出力変動を感知するためにＰＤ１６へ入射され、演算部１２を通じて発光素子５の光出力レベルが一定となるよう駆動電流源１０を制御する。
次に図４に特開平６−１５２０４３号公報に示される送信器の例を示す。図において、ＥＡ光変調器は、発光素子５の前方のＥＡ光変調器４と後方のＥＡ光変調器１７の両方に作成され、後方光でモニタした出力変化分を駆動電流源１０にフィードバックすることにより変調光出力７を一定に保つ。
【発明が解決しようとする課題】
然るに、光送信器のファイバ伝送特性を改善するためにαパラメータを制御した際には、駆動点が変化するので光送信器の光出力も変化してしまうこととなる。通常、光送信器のファイバ伝送特性と光出力を同時に確認することができないため、両特性仕様を同時に達成するための光送信器の調整作業は困難であった。
図２に示す光送信器の例では、Ｉｐｈ量の増減に伴う電界吸収量の変化に合わせてＥＡ光変調器印加電圧レベルの安定化を図ることによりファイバ伝送特性の安定化を実現できるが、電界吸収量の変化に合わせた駆動電流源１０の制御は行わないため発光素子５の出射光強度は変動してしまうこととなる。
また、特性変動補償のため発光素子５からのＥＡ光変調器４への入射光強度やＥＡ光変調器駆動点を変動させた場合、Ｉｐｈ量が変動し、同時にＥＡ光変調器印加電圧レベルも変動してしまう。この結果、αパラメータ値が変化し、ファイバ伝送特性が変化してしまうことになる。さらに素子の経年劣化によって光出力が変動した場合にも同様なことが起きる。
図３に示す例では、ＰＤ１６からのモニタ光の変動量により発光素子駆動電流源１０の電流量を調整するが、発光素子５の出力光の増減により駆動部８のＥＡ光変調器駆動点は変動するので、αパラメータ値は一定とならない。また、ＥＡ光変調出力光の一部を分岐するので、光ファイバに入射し伝送すべき変調出力光の損失が大きい欠点があり、更に光を分岐するための光カプラ１５などの光学部品の設置はコスト、スペース的に不利である。
図４に示す例も、発光素子５の出力光の増減により駆動部８のＥＡ光変調器駆動点が変動してしまうので、αパラメータは一定とならない。また、同じ規格化光出力比特性を持つＥＡ光変調器を、同一チップ上に発光素子５の光軸にそって前方と後方に二つ形成する必要があり、ＥＡ／ＤＦＢ集積化光源作成上に困難が伴う。
よって、本発明の目的は、光送信器の調整作業の簡易化と任意の光伝送システムへの適用性の拡大と光素子特性の経年劣化の変動に対する補償のため、光伝送システムに合わせたαパラメータを設定した際でも、変調光出力が一定となる光送信器、及び、その光送信器を用いた高信頼度な光伝送システムを提供することにある。
また、コスト、スペース的に有利で、なおかつＥＡ／ＤＦＢ集積化光源に手を加えることなく簡易に実現することにある。
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、αパラメータ最適調整もしくは光素子特性の経年劣化変動に対する補償ために変動した駆動点の情報をモニタし、その変動分に起因する光変動量を自動的に補償する方式を提案する。
まず、本発明の第一の形態は、駆動部からのＥＡ光変調器駆動電圧印加量を検出するための電界吸収量モニタ回路と、発光素子の後方出力量を検出するためのＰＤと、発光素子に適切な電流を印加するための駆動電流源とその制御回路（演算部）から成る。制御回路は、ＥＡ光変調器の電界吸収量と発光素子後方出力光強度の差分をとり、その値の変動量に応じた発光素子駆動電流量を算出する。発光素子後方出力光強度は発光素子駆動電流量の変動により変化し、ＥＡ光変調器の電界吸収量は発光素子駆動電流量と駆動部のＥＡ光変調器駆動点設定値の変動により変化するので、両者の差分をとることによりＥＡ光変調器駆動点設定値の変動分のみが検出できることになる。よって、αパラメータの制御のためにＥＡ光変調器駆動点を変化させた際に、その時のＩｐｈ変動によりＥＡ光変調器駆動点設定値の変動分に対応した発光素子駆動電流量を設定することにより、変調光出力を一定に保つことが可能となる。
本発明の第二の形態は、駆動部が両相出力を有しその片方の出力にＥＡ光変調器バイアス制御機能を有する場合に、駆動部出力のＥＡ光変調器バイアス制御機能を有する側の駆動電圧値の平均レベル（以下Ｖｄａｔａと略す）とＥＡ光変調器バイアス制御機能を有さない側の駆動電圧値の平均レベル（以下Ｖｂａｒと略す）と発光素子の後方出力量を検出するためのＰＤの電圧値（以下Ｖｐｄと略す）をモニタする機能と、Ｖｄａｔａ、Ｖｂａｒ、Ｖｐｄから算出した値により発光素子に適切な電流を印加するための駆動電流源とその制御回路（演算部）から成る。ここで、Ｖｄａｔａは発光素子駆動電流量と駆動部のＥＡ光変調器駆動点設定値の変動により変化し、ＶｂａｒはＥＡ光変調器駆動点設定値の変動により変化し、Ｖｐｄは発光素子駆動電流量の変動により変化する。よって、Ｖｄａｔａ、Ｖｂａｒ、Ｖｐｄの関係は（数１）で表すことができる。
【数１】
｜Ｖｄａｔａ｜＋｜Ｖｂａｒ｜−｜Ｖｐｄ｜＝ｃ‥‥‥‥‥‥（数１）
（ｃは定数）
（数１）とした時にｃの値は、ある光出力のもとに一定値をとる。よってこの時、ｃの値が一定となる様に制御を行うことにより変調光出力を一定とすることが可能となる。
【発明の実施の形態】
以下、に本発明の実施例を図を用いて説明する。
図５には、本発明による光送信器の概略を示す。
図のように、発光素子５と、発光素子５を駆動するための駆動電流源１０と、発光素子５からの前方光出力を変調するＥＡ光変調器４と、ＥＡ光変調器４を駆動する駆動部８と、駆動部８のバイアス電圧値・電圧振幅を決定するバイアス・振幅制御部９と、ＥＡ光変調器４、あるいは、駆動部８をモニタしその設定情報を伝達する設定情報伝達部２６と、設定情報伝達部２６の変動値をもとに発光素子５の駆動電流量を決定する演算部１２と、発光素子５の後方光出力をモニタする受光素子６と、受光素子６のモニタ値の変動量をもとに発光素子５の長期出力変動量を一定に保つためのＡＰＣ１１から成る。
ＥＡ光変調器４に関する動作情報や設定情報を設定情報伝達部２６が抽出し、演算部１２に伝達する。演算部は動作情報や設定情報の変動分に従い、発光量を制御する。
図６には、第一の発明の光送信器の構成を示す。
図のように光送信器は、発光素子５と発光素子を駆動するための駆動電流源１０と、発光素子５からの前方光出力を変調するＥＡ光変調器４と、ＥＡ光変調器４を駆動する駆動部８と、駆動部８のバイアス電圧値・電圧振幅を決定するバイアス・振幅制御部９と、ＥＡ光変調器４への印加電圧量をモニタする電界吸収量モニタ２５と、電界吸収量モニタ２５の変動値をもとに発光素子５の駆動電流量を決定する演算部１２と、発光素子５の後方光出力をモニタするＰＤ６と、ＰＤ６のモニタ値の変動量をもとに発光素子５の長期出力変動量を一定に保つためのＡＰＣ１１から成る。演算部１２は、ＥＡ光変調器４の電界吸収量と発光素子後方出力光強度の差分をとり、その値の変動量に応じた発光素子駆動電流量を算出する。ＰＤ６により検出される発光素子後方出力光強度は、発光素子駆動電流量の変動により変化し、また、電界吸収量モニタ２５で検出されるＥＡ光変調器の電界吸収量は、発光素子５の出力光と駆動部８のＥＡ光変調器駆動点設定値の変動により変化するので、ＰＤ６の出力値と電界吸収量モニタ２５の出力値の両者の差分をとることにより、ＥＡ光変調器駆動点設定値の変動分のみが検出できる。よって、駆動電流源１０にＥＡ光変調器駆動点設定値の変動分に対応する電流量を印加することにより、αパラメータの制御のためにＥＡ光変調器駆動点を変化させた際でも、変調光出力７を一定に保つことが可能となる。
実際の調整時においては、発光素子の駆動電流量が小さいほど伝送ペナルティは小さくなるので、変調光出力７が仕様内で最小となるように駆動電流源１０を設定しておくことが、αパラメータ制御のためのバイアス・振幅制御９調整幅を大きくする点で望ましい。
図７には、第二の発明の光送信器の構成を示す。本発明においては、駆動部８は両相出力を有し、その片方の出力にＥＡ光変調器バイアス制御機能を有するものとする。駆動部８出力のＥＡ光変調器バイアス制御機能を有する側の駆動電圧値の平均レベル１３Ｖｄａｔａと、ＥＡ光変調器バイアス制御機能を有さない側の駆動電圧値の平均レベル１４Ｖｂａｒと、発光素子５の後方出力量を検出するためのＰＤ６の電圧値Ｖｐｄは、演算部１２に入力される。ここで、Ｖｄａｔａは発光素子駆動電流量と駆動部のＥＡ光変調器駆動点設定値の変動により変化し、ＶｂａｒはＥＡ光変調器駆動点設定値の変動により変化し、Ｖｐｄは発光素子駆動電流量の変動により変化する。よって、（数１）が成り立つ。
このときにｃは、ある光出力のもとに一定値をとる。
図８には、実際にＥＡ／ＤＦＢ集積化光源を搭載した光送信器を用いて、ＥＡ光変調器の駆動点を変動させたときに光出力が一定（０ｄＢｍ）となるよう発光素子駆動電流値ＩＦを調整した際のＶｄａｔａ，Ｖｂａｒ，Ｖｐｄの値を測定した結果を示す。図中のＶＯＨ，ＶＯＬはそれぞれＥＡ光変調器駆動点のハイレベル、ローレベルを示す。図より、｜Ｖｄａｔａ｜＋｜Ｖｂａｒ｜−｜Ｖｐｄ｜はおよそ１０５５〜１０７０［ｍＶ］程度となるので、回路では、演算部１２の計算値が常に一定値となるよう制御をかければよいことがわかる。
図９には、本発明における光送信器を適用した光伝送システムの構成例を示す。図の様に光伝送システムは、光信号を出力する光送信器１と、光送信器１から出力された光信号を伝送する光ファイバ３と、光ファイバ３を介して光信号を受信する光受信器２から構成される。光送信器１はαパラメータを制御するボリューム端子２４を有し、αパラメータを制御するために使用する。この時αパラメータを制御した際でも光送信器１の光出力の大きさは変化しないので、光送信器の光出力仕様を満たしたまま、システムに最適なαパラメータを設定することが可能となる。
また本発明では、例えば、図１０に示す光アンプもしくは分散補償器もしくは光アンプと分散補償器の両方を用いた光伝送システムにも適用可能である。あらかじめ光アンプ２１，２１’の出力を任意の値に調整した際に適正な動作範囲となるよう光送信器の出力を設定し、分散補償器２２の分散補償量を含んだ光伝送システム全体に適性となる光送信器１のαパラメータをボリューム端子２４により調整する。この時光送信器の光出力は常に一定となるため、光アンプ入力強度が小さくなりすぎることにより起こる伝送波形のＳ／Ｎ比の劣化や、光アンプ入力強度が大きくなりすぎることにより起こるＳＰＭ（Ｓｅｌｆ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；自己位相変調）の効果は発生しない。なお、図９や図１０におけるボリューム端子２４は、他の実施例の図におけるバイアス・振幅制御部９に印可する電圧を調整する部分を示す。
以上、本発明により、任意の光伝送システムの構成において、光送信器の光出力仕様を満たしたまま、最適なαパラメータを設定することが可能となる。さらに、長期の光素子特性の経年劣化変動に対するチャープと光出力の自動補償が可能となる。
また、上記発明において光出力変動量のモニタは後方出力に限らず、前方においてモニタする事によっても実現可能であり、その設置場所については光送信器内部、もしくは光伝送システム上のいずれでも実現可能である。光出力変動量のモニタ部を光伝送システム上に設置した場合、その設置場所は光アンプ入力側もしくは出力側、分散補償器入力側もしくは出力側のいずれでも実現可能である。
図１１には、図６に示す本発明の具体的な構成例を示す。電界吸収量モニタをＥＡ光変調器のすぐ下側ＶＥＡ点から取る事により、ＥＡ光変調器自体が持つ抵抗値分の電圧シフト分の影響を受けず、純粋にＩｐｈ変動分をモニタすることができる。
図１２には、図７に示す本発明の具体的な構成例を示す。駆動部からの出力のうちバイアス制御機能を有さない方は駆動部自身の特性インピーダンスに対応した抵抗にて終端する。Ｖｄａｔａ，Ｖｂａｒをモニタする地点については高周波特性に影響を与えないようコイルを用いて接することが望ましい。
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、任意の光伝送システムに最適となるように光送信器のαパラメータを設定した際でも変調光出力を一定とすることができる。また、光素子特性の経年劣化変動に対する自動補償が可能となるため、光送信器の調整作業の簡易化と任意の光伝送システムへの適用性の拡大、さらに、高信頼度な光送信器及び光伝送システムの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＥＡ光変調器のαパラメータと規格化光出力比特性の変調器印加電圧に対する測定結果例を示す。
【図２】関連する光送信器のブロック図を示す。
【図３】関連する別の光送信器のブロック図を示す。
【図４】関連する別の光送信器のブロック図を示す。
【図５】本発明の光送信器の概略を示す。
【図６】本発明の第一の実施例の光送信器のブロック図を示す。
【図７】本発明の第二の実施例の光送信器のブロック図を示す。
【図８】本発明の第二の実施例の光送信器における調整パラメータの実測例を示す。
【図９】本発明の光送信器を適用した光伝送システムのブロック図を示す。
【図１０】本発明の光送信器を適用した光伝送システムのブロック図を示す。
【図１１】本発明の第一の実施例の光送信器の具体的な構成例を示す。
【図１２】本発明の第二の実施例の光送信器の具体的な構成例を示す。
【符号の説明】
１…光送信器、２…光受信器、３…光伝送ファイバ、４…ＥＡ光変調器、５…光源あるいは発光素子、６…受光素子あるいはフォトダイオード、７…変調光出力、８…駆動部、９…バイアス・振幅制御部、１０…発光素子駆動電流源、１１…ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）部、１２…演算部、１３…駆動部データ正相出力部、１４…駆動部データ逆相出力部、１５…光カプラ、１６…フォトダイオード、１７…ＥＡ光変調器、１８…アナログ・デジタル変換器、１９…マイコン、２０…ディジタル・アナログ変換器、２１…光アンプ、２２…分散補償器、２３…データ信号入力、２４…ボリューム端子、２５…電界吸収量モニタ、２６…設定情報伝達部。
書類名

Claims (2)

1. 駆動電流源に従い光を発振する発光素子と、
   上記発光素子の一方の出力光を変調し、変調光を出力する電界吸収型外部変調器と、
   上記電界吸収型外部変調器を印加電圧で駆動する駆動部と、
   上記駆動部のバイアス電圧と電圧振幅を決定するバイアス・振幅制御部と、
   上記発光素子の他方の出力光をモニタする受光素子と、
   上記電界吸収型外部変調器への印加電圧量をモニタする電界吸収量モニタ部と、
   上記受光素子のモニタ値によって上記駆動電流源を制御し、上記発光素子の出力光を一定に保つ自動光出力制御部とを有する光送信器であって、
   上記電界吸収量モニタ部からの値と上記受光素子のモニタ値とを入力とし、両者の差分を用いて上記駆動電流源を制御する演算部を有することを特徴とする光送信器。
2. 駆動電流源に従い光を発振する発光素子と、上記発光素子の一方の出力光を変調し、変調光を出力する電界吸収型外部変調器と、上記電界吸収型外部変調器を印加電圧で駆動する駆動部と、上記駆動部のバイアス電圧と電圧振幅を決定するバイアス・振幅制御部と、上記発光素子の他方の出力光をモニタする受光素子と、上記電界吸収型外部変調器への印加電圧量をモニタする電界吸収量モニタ部と、上記受光素子のモニタ値によって上記駆動電流源を制御し、上記発光素子の出力光を一定に保つ自動光出力制御部とで構成され、上記電界吸収量モニタ部からの値と上記受光素子のモニタ値とを入力とし、両者の差分を用いて上記駆動電流源を制御する演算部を有する光送信器と、
   上記変調光を受信する光受信器とを有することを特徴とする光伝送システム。

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