JP3944344B2 - 光送信器及び光伝送システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界吸収型光変調器、ならびに、この光変調器を発光素子と集積化した集積化光源を搭載した光送信器に関し、特にその電界吸収型光変調器の駆動方法とそれを用いた光送信器が適用される光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＴＵ−Ｔ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｕｎｉｏｎ − Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ Ｓｅｃｔｉｏｎ）勧告などの通信規格に見られるように、光伝送システムの高速化、規格バリエーションの多様化が進んでいる。それら光伝送システムに使用される光送信器においては、光波長や光出力制御の高精度化、個々の光伝送システムにおけるファイバ総分散値に対する分散耐力の適応が要求されている。
【０００３】
光送信器の制御方式において、複数の制御パラメータが互いに密接に関連し、その制御ループが一重以上となる場合は、制御条件の取捨選択・場合分けを簡易に行うことができるマイコンを用いた制御方式が有効である。また、光送信器に搭載する発光素子のデバイスパラメータをモデル化してメモリに記憶させ、マイコンによって参照を行うことにより、それぞれの制御目的に適合したアルゴリズムによる制御が実現できる。
【０００４】
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、発光素子であるレーザを直接変調する直接変調方式に比べ、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いる。特に発光素子との小型集積化に適する電界吸収型光変調器が注目され、これを発光素子と集積化した集積化光源が実用化されている。
【０００５】
光伝送システムの光ファイバ分散耐力を決定する電界吸収型光変調器または集積化光源の一つの特性であるチャープは、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）にて特徴づけられる。簡単に表現すると、チャープとは、光の強度変調に伴う光波長のゆらぎである。この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、電界吸収型光変調器または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。
【０００６】
図４に、電界吸収型光変調器のαパラメータ（α）と消光特性（ＥＲ）の光変調器印加電圧（ＶＢ）に対する測定結果例を示す。図より分かるようにαパラメータと消光特性は光変調器印加電圧依存性を有し、その制御は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。
【０００７】
適用される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光変調器の駆動方法及び光変調器の特性変動を補償して安定化を図るため、その制御にマイコンを用いる方式が報告されている。
【０００８】
図５に特開平０９−１７９０７９号公報に示される光送信器の例を示す。図において、ＣＰＵ１９は集積化光源のαパラメータと変調光出力とが目標の設定値となるように、ＲＯＭ１２の内蔵データを参照し、駆動部８と駆動電流源１０との制御を行う。光変調器４を通過した変調光出力７は光カプラ１５により分岐され、片方はファイバへの入射光である光送信器出力光となる。もう片方は光出力変動を感知するために受光素子（フォトダイオードＰＤ）１６へ入射され、信号のアナログ−デジタル変換を行うＩ／Ｏ部２３を通じてＣＰＵ１９にて演算処理が行われる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
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、光変調器の駆動点が変化するので、光変調器の出力である変調光出力が変化し、結果として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と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。
【００１０】
また、特性変動補償のため発光素子からの光変調器への入射光強度や光変調器の駆動点を変動させた場合、吸収光を電流変換した際に発生する光電流（以下Ｉｐｈ）量が変動し、同時に光変調器の印加電圧レベルも変動してしまうので、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。
【００１１】
さらに、発光素子の経年劣化によって発光素子の光出力が変動した場合にも同様なことが起きる。
【００１２】
図５に示す例では、受光素子１６からのモニタ光の変動量によりＣＰＵ１９が駆動電流源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Ｉｐｈの量も変化し駆動部８の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。
【００１３】
また、光変調器４の変調光出力７の一部を分岐するので光ファイバに入射し、伝送すべき光送信器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。
【００１４】
また、光変調器４を通過しない発光素子の強度の変動をモニタするためのフォトダイオードが設置されていないため、長期動作時の発光素子の劣化による光変動を補償することが困難である。
【００１５】
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システムへの適用性の拡大と発光素子の特性の経年劣化変動に対する補償のため、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。
【００１６】
また、コスト、スペース的に有利で、なおかつ光変調器に手を加えることなく簡易に実現することにある。
【００１７】
【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パラメータの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の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。
【００１８】
具体的には、駆動部の印加電圧のハイレベル設定値と、同ローレベル設定値などの駆動情報をバイアス・振幅制御部より直接モニタし、その数値を基に、最適となる発光素子駆動電流値を決定する。このとき、各々の集積化光源の消光特性、電流−光出力特性、電流−Ｉｐｈ特性を記録したメモリを回路上に搭載し、駆動情報から変調光出力の増加分もしくは減衰分を求め、最適となるよう発光素子の駆動電流源を制御することにより変調光出力を一定とすることが可能となる。また発光素子の後方に受光素子を設置し光変動をモニタし監視することにより、長期の経年劣化に対する光出力変動を自動的に補償することが可能となる。本発明において、初期調整時の光変調器印加電圧調整による駆動点の変動と、長期動作時の発光素子の経年劣化による光出力変化に伴う駆動点の変動の切り分けは、駆動部からの印加電圧設定値の変化と発光素子後方出力モニタ用受光素子の出力値を比較することにより実現しており、両者についてそれぞれ異なった制御を行うことが可能である。
【００１９】
また、駆動部が両相出力を有し、その片方の出力に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、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）と発光素子の後方出力量を検出するための受光素子の電圧値（以下Ｖｐｄ）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は発光素子の駆動電流量と駆動部の駆動点の設定値の変動により変化し、Ｖｂａｒは駆動点の設定値の変動により変化し、Ｖｐｄは発光素子の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。
【００２０】
｜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下に一定値をとる。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。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に関して、図を用いて説明する。
図１は本発明の光送信器の構成を示すブロック図である。
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光変調器４と、入力信号に従い光変調器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、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とバイアス・振幅制御部９の設定値と調整信号とをアナログ・デジタル変換部１８を通してモニタし、光変調器４と発光素子５の諸特性を記憶するＲＯＭ１２を参照することによりデジタル・アナログ変換部２０を通して駆動電流源１０を制御するための電圧値を決定するＣＰＵ１９からなる。また、ＲＯＭ１２、デジタル・アナログ変換部１８、ＣＰＵ１９、デジタル・アナログ変換部２０をまとめて演算部２５としている。ここで、発光素子は、ＤＦＢレーザ、受光素子はフォトダイオードが適当である。この方法は、バイアス・制御部９が駆動部８に与えるバイアス電圧や振幅電圧の設定値から間接的に光変調器４の駆動点の情報を取り込む方法である。
【００２２】
図３に、駆動部８の光変調器４への印加電圧値をＶＢ、受光素子６のモニタ値をＶｐｄとしたときのＣＰＵ１９の動作の流れを示したフローチャートを示す。ここで、ＩＦは発光素子５を駆動する電流値を表す。
【００２３】
ＣＰＵ１９は、まず、ＶＢとＶｐｄのどちらが変化したかを感知することにより、光変調器の駆動点の変動が、初期調整時の光変調器印加電圧調整によるものなのか、長期動作時の発光素子の経年劣化によるものなかを判別する。この時、ＲＯＭ１２には搭載した光変調器の消光特性、発光素子の電流−光出力特性、受光素子の電流−Ｖｐｄ特性、光変調器と発光素子の電流−Ｉｐｈ特性がメモリされているものとする。
【００２４】
図７から図１０に、ある光変調器、集積化光源における特性例を示す。ここで、図７は、光変調器の消光比の印加電圧依存性測定例（消光特性）を示し、図８は、発光素子の光出力の印加電流依存性測定例（発光素子光出力特性）を示し、図９は、発光素子の光後方出力モニタの印加電流依存性測定例（発光素子後方出力受信特性）を示し、図１０は、光変調器の光電流量の印加電流依存性測定例（光電流特性）を示す。
【００２５】
ユーザが調整信号入力１７に入力する調整信号で、バイアス・振幅制御部９を介して、光変調器４の制御を行う初期調整時の光変調器印加電圧調整による場合、まずＶＢ変化分による光変調器４の変調光出力（Ｐｆ）７の変化幅ΔＰｆを図７の消光特性より求める。次にこの変調光出力変化幅ΔＰｆを補正する分の発光素子駆動電流量ΔＩＦを図８の電流−光出力特性より求める。次に、前記ＶＢ、ΔＩＦに対応するＩｐｈの変化量ΔＩｐｈを図１０より求め、前記ＶＢにΔＩｐｈによる駆動点変化幅の補正分を追加した分をバイアス・振幅制御部９へ印加する。同時に変調光出力７を補正するためのΔＩＦを駆動電流源１０へ印加し、変調光出力７を一定に保つ。
【００２６】
具体的に例を示すと、図１０で▲１▼を初期状態（ＶＢ＝−０．１Ｖ，ＩＦ＝４０ｍＡ）とし、変調光出力（Ｐｆ）を一定のままαパラメータ制御のためＶＢを−０．３Ｖに設定したい場合は、次の通りである。
【００２７】
まず第１に、ＶＢ＝−０．３Ｖで▲１▼と同じＰｆ値となるＩＦ値を、図７、図８より求める。手順としては、ＶＢを−０．１Ｖから−０．３Ｖへ変化させたときのＰｆ変動量（ΔＥＲ）を図７から求める。次にそのＰｆ変動量を補正するために必要なＩＦ増分量を図８より求める。
【００２８】
第２に、図１０で、上記第１の手順で求めたＩＦ値（ここでは仮に２０ｍＡ増しのＩＦ＝６０ｍＡとする）とＶＢ＝−０．３Ｖ設定した状態▲２▼と状態▲１▼を比較し、Ｉｐｈの増分量を求める（ここではΔＩｐｈ＝６ｍＡ）。
【００２９】
第３に、この状態ではＩｐｈが６ｍＡ増えるためにＥＡ部からのバイアスシフト（光電流）によってＶＢが目的の−０．３Ｖには設定されない（自然にＶＢが変化する）。そこで状態▲２▼からＩｐｈがΔIｐｈ（ここでは６ｍＡ）大きい状態▲３▼のＶＢ値ＶＢ＝−０．７ＶをＥＡに印加する。ＩＦ増加分によるＩｐｈ増加に伴うＶＢのバイアスシフト分を見越して、ほぼΔＩｐｈ分深めのＶＢを設定することにより、目的のＶＢ値（−０．３Ｖ）を得ることができ、Ｐｆを一定とすることができる。
【００３０】
一方、上記初期調整時と異なり、長期動作時の発光素子経年劣化により変調光出力が変動した場合、ＣＰＵ１９はＶｐｄが変動したことを感知し、その変動分ΔＶｐｄに対応するΔＩＦを図９の電流−Ｖｐｄ特性より求める。ΔＩＦによる光出力の増加分ΔＰｆを図８より求め、ΔＰｆに対応する変調器印加バイアス変動分ΔＶＢを図７より求める。次にΔＶＢ、ΔＩＦに対応するＩｐｈの変化量ΔＩｐｈを図１０より求め、前記ΔＶＢにΔＩｐｈによる光変調器の駆動点の変化幅の補正分を追加した分をバイアス・振幅制御部９へ印加する。同時に変調光出力７を補正するためのΔＩＦを駆動電流源１０へ印加し変調光出力７を一定に保つ。
【００３１】
本構成では、ＲＯＭ１２に発光素子５、光変調器４の諸特性をあらかじめ記憶させておくことにより駆動部８と光変調器４間にモニタ部を設置する必要がなく、いかなるタイプの駆動部においても実現が可能である。また、駆動部と光変調器間にモニタ部を設置することが可能で、駆動部が差動型両相出力を有する場合、より簡易に本発明の目的を達成することができる。
【００３２】
図２に、駆動部と光変調器間にモニタ部を設置した光送信器の構成を示す。
駆動部８は両相出力を有し、その片方の出力にバイアス制御機能を有するものとする。駆動部８出力の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Ｖｄａｔａ１３と、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Ｖｂａｒ１４と、発光素子の後方出力量を検出するための受光素子６の電圧値Ｖｐｄは、アナログ・デジタル変換部１８を通じてＣＰＵ１９に入力される。ここで、Ｖｄａｔａ１３は発光素子の駆動電流量と駆動部８の駆動点設定値の変動により変化し、Ｖｂａｒ１４は駆動点設定値の変動により変化し、Ｖｐｄは発光素子の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。
【００３３】
このときにｃはある一定の光出力の下に一定値をとる。
図１の方法がバイアス・制御部９が駆動部８に与えるバイアス電圧や振幅電圧の設定値から間接的に光変調器４の駆動点の情報を取り込む方法であることに対し、この方法は、直接的に光変調器４の駆動点の情報を取り込むことができるため、制御精度の向上につながる。
【００３４】
図６は実際に光変調器集積化光源を搭載した光送信器を用いて、光変調器の駆動点を変動させたときに変調光出力（Ｐｆ）７が一定（０ｄＢｍ）となるよう発光素子の駆動電流値ＩＦを調整した際のＶｄａｔａ、Ｖｂａｒ、Ｖｐｄの値を測定した結果である。図中のＶＯＨ、ＶＯＬはそれぞれ光変調器の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、ＣＰＵ１９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。この時、何種類かの変調光出力（Ｐｆ）７について図６の表を作成し、あらかじめＲＯＭ１２に記憶しておけば、調整者がＶＯＨ、ＶＯＬを調整しαパラメータ設定後、希望の変調光出力値を入力することによりＣＰＵ１９は図６のバリエーションからその変調光出力、ＶＯＨ、ＶＯＬに適合したＶｄａｔａ、Ｖｂａｒ、Ｖｐｄを設定するように発光素子の駆動電流源１０、バイアス・振幅制御部９をコントロールできる。光変調器集積化光源を搭載した光送信器において所望の伝送特性にあったＶＯＨ、ＶＯＬを得る方法は、本発明者により特開平１１−３３１０９０号公報にて説明されているので、本発明を併用することにより、ユーザーの所望の伝送特性と変調光出力７を自動的に得ることができる。また調整後光送信器が長期駆動に移行した後は、（数１）が常に一定値となるように制御を行うことにより変調光出力７の安定化を得ることが可能となる。
【００３５】
図１１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ブロック図である。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調整信号入力端子１７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の変調光出力の大きさは変化しないので、光送信器の変調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。
【００３６】
また本発明では、例えば図１２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伝送回線にも適用可能である。あらかじめ光アンプ２１ａ、２１ｂ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パラメータを調整信号入力端子１７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。
【００３７】
以上本発明により、任意の伝送回線構成において光送信器の変調光出力仕様を満たしたまま、伝送システムに最適なαパラメータを設定することが可能となる。さらに、長期の発光素子特性の経年劣化変動に対するαパラメータと変調光出力の自動補償が可能となる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、任意の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、また、発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システムへの適用性の拡大、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】本発明の光送信器の構成を示す。
【図２】本発明の光送信器の構成を示す。
【図３】図１の光送信器の制御のフローチャートを示す。
【図４】光変調器のαパラメータと消光比の光変調器印加電圧に対する測定結果例（α特性、消光特性）を示す。
【図５】従来の光送信器の構成例を示す。
【図６】図２の光送信器における調整パラメータの実測例を示す。
【図７】光変調器の消光比の印加電圧依存性測定例（消光特性）を示す。
【図８】発光素子の光出力の印加電流依存性測定例（発光素子光出力特性）を示す。
【図９】発光素子の光後方出力モニタの印加電流依存性測定例（発光素子後方出力受信特性）を示す。
【図１０】光変調器の光電流量の印加電流依存性測定例（光電流特性）を示す。
【図１１】本発明の光送信器を適用した光伝送システムの構成を示す。
【図１２】本発明の光送信器を適用した光伝送システムの構成を示す。
【符号の説明】
１…光送信器、２…光受信器、３…光伝送ファイバ、４…光変調器、５…発光素子（レーザ）、６…受光素子（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…駆動電流源、１１…信号入力部、１２…ＲＯＭ、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…調整信号入力、１８…アナログ・デジタル変換器、１９…ＣＰＵ、２０…デジタル・アナログ変換器、２１ａ、２１ｂ…光アンプ、２２…分散補償器、２３…入出力変換器、２４…ＲＡＭ、２５…演算部、２６…バイアス制御部。

Claims (5)

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、変調光を出力する光変調器と、
   上記光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受信し、光電変換し、受信情報を出力する受光素子と、
   上記光変調器への印加電圧を調整する調整信号を外部から入力する調整信号入力部と、
   上記受信情報と上記駆動部の駆動点情報と調整信号を入力し、上記駆動電流源と上記バイアス・振幅制御部とを制御する演算部とを有し、
   上記演算部は、上記調整信号及び前記受光素子からの受信情報のいずれかの変化を検知することによって、上記光変調器の駆動点が変動した際にそれが初期調整時の光変調器印加電圧調整によるものか、もしくは、発光素子の経年劣化変動の補償によるものかを判別し、その判別結果に応じて、駆動点の変動分に起因する光出力変動量を補償することを特徴とする光送信器。
2. 前記駆動点情報が、前記駆動部の出力部から直接的に、または、上記駆動部の入力部から間接的に抽出された上記駆動部の印加電圧のバイアスレベルの情報と、上記駆動部の印加電圧のハイレベルの情報と、上記駆動部の印加電圧のローレベルの情報との任意の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
3. 前記演算部が、
   上記光変調器の消光特性の情報と、該光変調器の光電流特性の情報と、前記発光素子の光出力特性の情報と、該発光素子他方出力受信特性の情報とを記憶した記憶素子と、
   前記受信情報と、前記駆動点情報と、前記調整信号とを入力し、ディジタル・アナログ変換するディジタル・アナログ変換器と、
   上記ディジタル・アナログ変換器で変換された上記受信情報と、上記駆動点情報と、上記調整信号と、上記記憶素子に記憶された情報とを入力し、制御情報を出力する中央処理部と、
   上記制御情報をディジタル・アナログ変換し、上記駆動電流源を制御する駆動電流源制御信号と、上記バイアス・振幅制御部を制御するバイアス・振幅制御部制御信号を出力するディジタル・アナログ変換器とで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項２のいずれかに記載の光送信器。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光送信器と、
   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。
5. 前記光送信器と前記光受信器との間に、
   前記変調光を増幅する光アンプと、
   分散補償器とを有することを特徴とする請求項４に記載の光伝送システム。

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