JP5182290B2 - 光変調器および光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、大容量信号を光伝送するための多値変調信号光、特に６値位相変調光を効率的に生成する光変調器、および、そのような光変調器を有する光通信システムに関する。

光ファイバ通信システムは、大容量の情報を効率的に通信することができる利点を有する。光ファイバ通信システムが効率的な情報伝送を行える主な理由は２つある。第１の理由は、伝送路となる光ファイバの低損失特性によって、伝送に伴う信号の減衰損失が少ないことである。その結果、長距離伝送に必要な中継装置を削減できるという利点が生ずる。第２の理由は、時分割多重を行うことによって、信号光の送受信に必要とするハードウェアが削減できることである。その結果、同一容量を伝送するのに必要なコストを下げることができるという利点が生ずる。第２の利点は、インターネットの普及による通信容量の増大に対して特に有効である。例えば、商用の光ファイバ通信システムとして、１波長あたり１０Ｇｂ／ｓを伝送するシステムが運用され、最近では１波長あたり４０Ｇｂ／ｓを伝送する光ファイバ通信システムの運用が開始されている。

今後のさらなる情報通信の大容量化に対応するために、より多くの信号を多重することができる超高速信号光の伝送技術が求められている。その要請に対して、１００Ｇｂ／ｓ級（１００Ｇｂ／ｓ程度）やそれ以上の速度の信号伝送に関する技術の研究開発が盛んに進められている。

１波長あたり１０Ｇｂ／ｓまでの光ファイバ通信システムでは、信号の生成と検出が容易なＮＲＺ符号（Non-Return-to-Zero）が広く用いられている。ＮＲＺ方式は、ディジタル値（２値）を、光のＯＮ（オン）とＯＦＦ（オフ）に符号化して伝送する。

ＮＲＺ方式によって超高速伝送を行う場合に、主として２つの課題がある。第１の課題は、光ファイバが有する分散による波形劣化である。光ファイバの波長分散や偏波分散の影響による波形歪は、信号速度が上昇するに従って、より深刻になる。これら波長分散や偏波分散による波形歪みは、光通信システムにおける伝送距離を制限する。具体的には、波長分散によって制限される伝送距離は、信号速度の増大の２乗に反比例して短くなる。また、偏波分散で制限される伝送可能距離は、信号速度に反比例して短くなる。

第２の課題は、信号多重を行う電子回路の動作速度限界である。例えば、１００Ｇｂ／ｓの信号伝送を行うためには、帯域１００ＧＨｚ級の電子回路、即ち正常に処理することが可能な信号の周波数が１００ＧＨｚ程度である電子回路が必要になる。しかし、そのような電子回路を、経済性に優れるシリコンＣＭＯＳで実現することは、現状の技術では難しい。実現するには、ＩｎＰ系の材料を用いた電子デバイス技術が不可欠になる。また、ＩｎＰ系の材料を用いた電子デバイス技術を用いることができても、１００ＧＨｚ級の動作速度はデバイスの動作速度限界に近いので、安定した運用を行うために様々な技術課題を克服する必要がある。

超高速伝送を実現するために電子回路の動作速度を上げるというアプローチの他に、光の多値変調技術が注目されている。多値変調とは、光の３つ以上の状態に対して、複数ビットの情報を割り当てる変調技術である。例えば、４０Ｇｂ／ｓ光伝送などにおいて、４値差動位相変調（Differential Quadrature Phase Shift Keying：ＤＱＰＳＫ）が重要技術として注目されている。ＤＱＰＳＫでは、光の４つの位相である０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜の状態（以下、シンボルという。）に対して、ディジタルの２ビット（００，０１，１０，１１）を割り当てる。この方式では、２ビットを１シンボルで伝送するので、シンボルレートがビットレートの半分になる。その結果、シンボルを処理する電子回路に必要な帯域は、ビットレートの半分程度でよくなる。例えば、１００Ｇｂ／ｓの信号をＤＱＰＳＫを用いて伝送する場合、シンボルレートが５０Ｇシンボル／ｓになる。

５０Ｇシンボル／ｓの信号を処理する電子回路、例えば多重回路や変調器ドライバの帯域は、５０ＧＨｚ程度まであればよいという利点がある。また、シンボルレートがビットレートに対して小さくなるので、１シンボルの占めるタイムスロットの時間がビットスロット時間の２倍になる。その結果、分散による波形歪の影響を受けにくくなり、分散で制限される伝送距離がＮＲＺなどの２値変調に比べて長くできるという利点もある。以上の利点を活かし、ＤＱＰＳＫ信号光の生成、伝送および検出に関する技術開発が進められている。

ＤＱＰＳＫ信号の生成方法に関する背景技術を、図１１を参照して説明する。図１１は、特許文献１における第３図に記載された４相位相変調器を示すブロック図である。図１１に示す４相位相変調器において、入射端１１１０に入射した光は、等しい光量で２つの信号光に分岐される。一方の信号光は第１の位相変調器１１１１において位相０またはπの２値変調が施される。他方の信号光は、第２の位相変調器１１１２において、やはり位相０またはπの２値変調が施される。２値変調が施された後、位相シフタ１１１３によってπ／２の位相シフトが与えられる。２つの位相変調が与えられた光が合波された後、出力端１１１４から出力される。

図１２は、図１１に示された４相位相変調器の位相変調光の位相を示す複素座標平面である。図１１に示された第１の位相変調器１１１１で与えられる位相変調は、図１２では、位相変調（信号光状態）１２１１として示される。図１１に示された第２の位相変調器１１１２で与えられる位相変調は、位相シフタ１１１３で与えられるπ／２の位相シフトを考慮すると、図１２では、位相変調１２１２として示される。これらの変調光を合波すると、４つの位相状態１２１３を持つ変調光が生成される。

なお、例えば特許文献２に記載されているように、図１１に示された２つの位相変調器１１１１，１１１２としてマッハツェンダ変調器（マッハツェンダ型光変調器）を用いることによって、２値位相変調をより簡易に、かつ精度よく行うことが知られている。ＤＱＰＳＫ信号を生成する場合にも、マッハツェンダ型光変調器を内部に含む構成が広く用いられている。

また、ＤＱＰＳＫに加えて４値の強度変調を施すことによって１６値変調された信号光を生成する方法がある（例えば、特許文献３参照）。図１３は、特許文献３の図１１に記載された光通信システムにおける多値変調信号生成部分を示すブロック図である。図１３に示す構成において、光源１３１０から出力されたＣＷ(clockwise)光は、まず、第１の位相変調器１３１１で０，π変調が施され、第２の位相変調器１３１２で０，π／２変調が施される。２つの位相変調器１３１１，１３１２によって、ＤＱＰＳＫ信号光が生成される。その後、４値信号によって駆動される強度変調器１３１３によって強度変調が行われる。位相変調器１３１１，１３１２および強度変調器１３１３の処理で、４値の位相変調（ＤＱＰＳＫ）と４値の強度変調とを合わせた１６値変調信号光が生成される。ＤＱＰＳＫに加えて４値の強度変調を行うことによって、シンボルレートはビットレートの１／４になる。このため、例えば４０Ｇｂ／ｓの信号を伝送するのに必要なシンボルの処理速度が１０ＧＨｚ級の処理で済むという利点がある。また、ＤＱＰＳＫを用いて信号伝送する場合に比べて、偏波分散で制限される伝送距離の程度が低くなることが期待できる。すなわち、伝送距離が伸張することが期待できる。なお、ＤＱＰＳＫ信号光を生成する場合に、図１１に示された構成を用いてもよい。
特開平３−１７９９３９号公報（第１７頁、第３図） 特許第２７６０８５６号公報（第３頁、図１） 特開２００６−３３９７６０号公報（段落００９２−００９５、図１１）

上記の背景技術には、以下に示す課題がある。第１の課題は、多値変調における状態数（例えば、１６値変調における１６、以下、多値数という。）が増加した場合に、変調に用いる部品に高い線形特性が求められることである。例えば、図１３に示された構成による１６値変調信号光の生成方法では、強度変調部１３１３は、４値信号光の入力のそれぞれに対して、４値の出力信号光を生成しなければならない。例えば、マッハツェンダ型光変調器では入力信号電圧と出力光強度との関係が非線形な特性になるので、強度変調部１３１３としてマッハツェンダ型光変調器を使用する場合には、あらかじめ入力信号光に対して逆特性処理を施して、出力光が等間隔の４値強度変調信号光となるようにする必要がある。しかし、出力光を等間隔にするように数１０Ｇｂ／ｓ級の信号を高い精度で生成したり増幅したりすることは困難であることが知られている。

第２の課題は、多値数が増加するに従って、多値変調信号を生成するための回路の構成が複雑になることである。例えば、図１３に示された構成による１６値変調信号光の生成方法では、位相変調部１３１１，１３１２と強度変調部１３１３という２つの部位に信号を入力する必要があり、部品点数が増加する。多値変調方式を実現する部品点数が少ない光変調器として、ベクトル型光変調器がある。ベクトル型光変調器は、図１１に示された構成によるＤＱＰＳＫ信号光の生成方法において、位相変調部１３１１，１３１２としてマッハツェンダ型光変調器を用いる。そして、任意の強度および位相となる光状態を生成するために、２つのマッハツェンダ型光変調器を、位相変調のためだけに用いるのではなく、強度変調も施すために用いる。しかし、その場合、マッハツェンダ型光変調器に印加される電気信号は、２値の信号ではなく、アナログ信号的な波形の信号になる。この場合、上記の第１の課題である部品に対して高い線形特性が求められるという課題が生ずる。

なお、回路の構造が複雑化するという課題や、回路の部品に対して高い線形特性が求められるという前述の第１および第２の課題を避けるために、多値数を少なめに、例えば４程度に抑えた場合には、超高速伝送を実現するために電子回路のシンボル処理速度を低減させるという当初の目的は達成され難い。シンボル処理速度を低減させるという当初の目的が達成され難いことを、以下、第３の課題という。

現在導入が検討されている４０Ｇｂ／ｓの信号光のビットレートを越える１００Ｇｂ／ｓの信号が、これからの研究開発の対象になっている。４０Ｇｂ／ｓの信号光を扱う帯域４０ＧＨｚ級の電子回路技術の利用を想定すると、多値数を４に抑えて１００Ｇｂ／ｓを伝送しようとした場合には、シンボルレートが５０Ｇシンボル／ｓになり、より高速な回路技術が必要になる。多値数を８にした場合には、１シンボルで３ビットの伝送が可能であるから、シンボルレートを３３Ｇシンボル／ｓまで落とすことができる。その場合には、４０ＧＨｚ級の回路技術が適用可能になる。しかし、８値生成のための変調系の構造が複雑になる。

例えば、ベクトル型光変調器で８値の位相変調信号光を生成する場合には、図１４の複素座標に示すように、２つのマッハツェンダ型光変調器で生成される光ベクトル信号を８値にするために、４値の駆動信号が必要である。なお、図１４において、矢印は、ベクトル型光変調器で与えられる位相変調（具体的には、信号光状態）を示す。また、図１４には、それぞれを合波して生成される８つの位相状態（８相位相変調信号光の信号点）１４１１も示されている。

第３の課題に関連して、電子回路の必要動作速度の抑制と変調系の構造の複雑化の防止とを両立させつつ行う、ほとんどの光多値変調方式におけるシンボル処理速度の低減の最適化では、多値数を２nにする。多値数を２nにすると、多値信号生成や受信後のシンボル処理を行うためのディジタル電子回路を構成しやすいからである。この場合、伝送速度が２^ｎ倍に従わない増速の場合、その増速を実現するのに最低限必要な２^ｎ倍の多値数を実現するための回路構成を採用すると、必要以上に多値数を上げることになり、システムが複雑化するという課題がある。例えば、１０ＧＨｚに対して４０ＧＨｚは２^ｎ倍に従う増速に相当するが、４０ＧＨｚに対して１００ＧＨｚは２^ｎ倍に従わない増速に相当する。

本発明は、伝送速度が２ⁿ倍に従わない増速に対して、多値数をできるだけ抑えることによって電子回路の複雑化や線形特性の課題を抑え、かつ、既存システムのシンボル処理速度に近くなるよう電子回路の構成を最適化することによって回路速度制限による伝送容量限界を緩和することができ、光の多値位相変調信号を効率的に生成する光変調器および光通信システムを提供することを目的とする。

本発明は、第１の態様において、入射した光を第１及び第２の信号光に分岐する光分岐器と、前記第１の信号光を変調する第１のマッハツェンダ変調器と、前記第２の信号光を変調する第２のマッハツェンダ変調器と、前記第２のマッハツェンダ変調器の出力光の位相に固定的な位相シフトを与える位相シフタと、前記第１のマッハツェンダ変調器からの出力光と前記位相シフタからの出力光とを合波する光合波器とを備え、前記位相シフタは、前記光合波器における２つの入力光の位相差が６０度になるように前記位相シフトを与え、前記第１のマッハツェンダ変調器および前記第２のマッハツェンダ変調器が３値信号で駆動されることを特徴とする光変調器を提供する。

本発明は、第２の態様において、入射した光を第１及び第２の信号光に分岐する光分岐器と、前記第１の信号光を変調する第１の位相変調器と、前記第２の信号光を変調する第２の位相変調器と、前記第１の位相変調器の出力光の強度を変調する第１の強度変調器と、
前記第２の位相変調器の出力光の強度を変調する第２の強度変調器と、前記第２の強度変調器の出力光の位相に固定的な位相シフトを与える位相シフタと、前記第１の強度変調器からの出力光と前記位相シフタからの出力光とを合波する光合波器とを備え、前記位相シフタは、前記光合波器における２つの入力光の位相差が６０度になるように前記位相シフトを与え、前記第１の位相変調器、第２の位相変調器、第１の強度変調器および第２の強度変調器が２値信号で駆動されることを特徴とする光変調器を提供する。

本発明は、第３の態様において、入力データを２系列の３値信号に変換して出力するエンコーダ回路と、入射した光を第１及び第２の信号光に分岐する光分岐器と、前記第１の信号光を変調する第１のマッハツェンダ変調器と、前記第２の信号光を変調する第２のマッハツェンダ変調器と、前記第２のマッハツェンダ変調器の出力光の位相に固定的な位相シフトを与える位相シフタと、前記第１のマッハツェンダ変調器からの出力光と前記位相シフタからの出力光とを合波する光合波器と、前記光合波器の出力光を受け取り、局発光を用いてコヒーレント受信を行う受信手段と、前記受信手段の出力信号光から光の位相を検出する位相検出手段と、前記位相検出手段の出力にもとづいてバイナリデータを出力するデコーダ回路とを備え、前記位相シフタは、前記光合波器における２つの光の位相差が６０度になるように前記位相シフトを与え、前記第１のマッハツェンダ変調器および前記第２のマッハツェンダ変調器が前記エンコーダ回路から出力された３値信号で駆動される、ことを特徴とする光通信システムを提供する。

本発明は、第４の態様において、入力データを４系列の２値信号に変換して出力するエンコーダ回路と、入射した光を第１及び第２の信号光に分岐する光分岐器と、前記第１の信号光を変調する第１の位相変調器と、前記第２の信号光を変調する第２の位相変調器と、前記第１の位相変調器の出力光の強度を変調する第１の強度変調器と、前記第２の位相変調器の出力光の強度を変調する第２の強度変調器と、前記第２の強度変調器の出力光の位相に固定的な位相シフトを与える位相シフタと、前記第１の強度変調器からの出力光と前記位相シフタからの出力光とを合波する光合波器と、前記光合波器の出力光を受け取り、局発光を用いてコヒーレント受信を行う受信手段と、前記受信手段の出力光の位相を検出する位相検出手段と、前記位相検出手段の出力にもとづいてバイナリデータを出力するデコーダ回路とを備え、前記位相シフタは、前記光合波器における２つの光の位相差が６０°になるように前記位相シフトを与え、前記第１の位相変調器、第２の位相変調器、第１の強度変調器および第２の強度変調器が前記エンコーダ回路から出力された２値信号で駆動される、ことを特徴とする光通信システムを提供する。

本発明の光変調器及び光通信システムでは、伝送速度が２ⁿ倍に従わない増速に対して、多値数をできるだけ抑えることによって電子回路の複雑化や線形特性の課題を抑えるとともに、既存システムのシンボル処理速度に近くなるよう電子回路の構成を最適化することによって回路速度制限による伝送容量限界を緩和することができる。

本発明の上記及び他の目的、特徴及び利益は、図面を参照する以下の説明により明らかになる。

本発明の第１の実施形態に係る光変調器のブロック図である。 第１の実施形態の具体例のベクトル型変調器のロック図である。 ６値位相変調光の位相を示す複素座標平面である。 マッハツェンダ変調器の透過率の印加電圧依存性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る光変調器のブロック図である。 入力信号ビット列と、エンコーダの出力信号及び発生位相とを対応させて示す表である。 エンコーダ出力の平均を０とする場合における入力信号ビット列と、エンコーダの出力信号及び発生位相とを対応させて示す表である。 本発明の第３の実施形態に係る光変調器のブロック図である。 第３の実施形態における入力信号ビット列と、エンコーダの出力信号及び発生位相とを対応させて示す表である。 本発明の第４の実施形態に係る光通信システムのブロック図である。 ４相位相変調器を示すブロック図である。 ４値位相変調光の位相を示す複素座標平面である。 図８の光通信システムにおける多値変調信号生成部のブロック図である。 ８値位相変調信号の位相を示す複素座標平面である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。図面において、同様な参照符号は同様な構成要素を示す。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光変調器の構成を示すブロック図である。本実施形態の光変調器は、入射した光を２つに分岐する光分岐器１０１と、光分岐器１０１で分岐された第１の光を変調するための第１のマッハツェンダ変調器１０２と、光分岐器１０１で分岐された第２の光を変調するための第２のマッハツェンダ変調器１０３と、第２のマッハツェンダ変調器１０３に接続され、光の位相に固定的な位相シフトを与える、つまり、固定されたシフト量を与える位相シフタ１０４と、第１のマッハツェンダ変調器１０２からの出力光と位相シフタ１０４からの出力光とを合波する光合波器１０５とを備える。位相シフタ１０４は、光合波器１０５に入射する２つの光の位相差が６０度になるように入力光に位相シフトを与え、第１のマッハツェンダ変調器１０２および第２のマッハツェンダ変調器１０３が３値信号で駆動される。

本実施形態の光変調器は、６値位相変調信号光を生成する。６値位相変調は、１シンボルで６状態の信号を伝送できる。また、２シンボルで３６状態の信号を伝送できる。すなわち、２シンボル内に最大５ビット（２^５=３２）を収容することが可能である。従って、２．５ビット／シンボルでの多値信号伝送が可能になる。よって、１００Ｇｂ／ｓの信号伝送を行うのに、シンボルレートが４０Ｇｂ／ｓで足りる。その結果、電子回路の帯域がＤＱＰＳＫで必要な値に比べて小さく済む。

図２は、本実施形態の具体例に係る、６値位相変調信号を生成するベクトル型変調器の構造を示すブロック図である。図３は、６値位相変調光の位相を表す複素座標平面である。

本実施形態では、変調器として、前述のベクトル型変調器を用いる。図２に示す構成おいて、入射端２１０から入射した光は、光分岐器２１１で第１及び第２の信号光に分岐され、第１の信号光は第１のマッハツェンダ変調器２１２に入力され、第２の信号光は第２のマッハツェンダ変調器２１３に入力される。３値信号２１４で駆動される第１のマッハツェンダ変調器２１２は、第１の信号光を変調する。３値信号２１５で駆動される第２のマッハツェンダ変調器２１３は、第２の信号光を変調する。第２のマッハツェンダ変調器の出力光は、位相シフタ２１７によって６０°の位相シフトが与えられる。

図４は、強度変調に伴う発生チャープ（付加位相変調）が０であるマッハツェンダ変調器の印加電圧に対する出力光の透過率４１１を示す説明図である。図４において、Ｖｂはマッハツェンダ変調器のバイアス電圧、Ｖπはマッハツェンダ変調器の半波長電圧を示す。図４において、信号点４１３で示されるように、入力電圧（印加電圧）がＶｂのときは消光する。信号点４１２で示されるように、Ｖｂ−Ｖπのときは発光し、かつ光位相が０になる。信号点４１４で示されるように、Ｖｂ＋Ｖπのときは発光し、かつ光位相がπになる。マッハツェンダ変調器２１２，２１３に入力する駆動信号レベルを、信号点４１２，４１３，４１４で示される３電圧にすることによって、第１のマッハツェンダ変調器２１２の出力光の電界は、図３に示す複素電界座標上において、発光かつ位相が０゜の状態（信号点３１２の状態）、発光かつ位相が１８０゜の状態（信号点３１５の状態）、および消光の状態（信号点３１８の状態）の３状態をとる。また、位相シフタ２１７の出力光の電界は、発光かつ位相が６０゜の状態（信号点３１３の状態）、発光かつ位相が２４０°の状態（信号点３１６の状態）、および消光の状態（信号点３１８の状態）の３状態の間で変化する。

第１のマッハツェンダ変調器２１２と位相シフタ２１７の出力光とが光合波器２１６で合波されると、出力端２１８から出力される位相において、６値位相変調出力が次のように提供される。

６値位相変調出力：
第１のマッハツェンダ変調器２１２の出力である位相０゜の発光（信号点３１２）、及び、位相シフタ２１７の出力である消光（信号点３１８）を受け取った結果、光位相０゜を有する第１の光変調出力（信号点３１２）；
第１のマッハツェンダ変調器２１２の出力である消光（信号点３１８）、及び、位相シフタ２１７の出力である位相６０゜の発光（信号点３１３）を受け取った結果、光位相６０゜の第２の光変調出力（信号点３１３）；
第１のマッハツェンダ変調器２１２の出力である位相１８０゜の発光（信号点３１５）、及び、位相シフタ２１７の出力である位相６０゜の発光（信号点３１３）を受け取った結果、位相１２０゜を有する第３の光変調出力（信号点３１４）；
第１のマッハツェンダ変調器２１２の出力である位相１８０゜の発光（信号点３１５）、及び、位相シフタ２１７の出力である消光（信号点３１８）を受け取った結果、位相１８０゜の第４の光変調出力（信号点３１５）；
第１のマッハツェンダ変調器２１２の出力である消光（信号点３１８）、及び、位相シフタ２１７の出力である位相２４０゜の発光（信号点３１６）を受け取った結果、位相２４０゜の第５の光変調出力（信号点３１６）；及び
第１のマッハツェンダ変調器２１２の出力である位相０゜の発光（信号点３１２）、及び、位相シフタ２１７の出力である位相２４０゜の発光（信号点３１６）を受け取った結果、位相３００゜の第６の光変調出力（信号点３１７）。

上記の変調出力の中で、分岐された光のうち一方のみが出力される光位相が０゜，６０゜，１８０゜，２４０゜の状態で光強度が互いに等しいことは容易に理解される。また、２つの変調器からの光が合成される光位相１２０゜、３００゜においても、図３におけるベクトル合成から他の光位相と等しい光強度の光が得られることがわかる。以上の作用を利用して、６値位相変調光を得ることができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る光変調器のブロック図である。光変調器は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶基板（ニオブ酸リチウム基板）５２０上に形成される。図５において、入射ファイバ５１０から入射した光はニオブ酸リチウム基板５２０の導波路に結合され、Ｙ分岐回路（光分岐器）５１１で第１及び第２の信号光に分岐される。分岐比を１：１である。光分岐器５１１の一方の出力は、第１のマッハツェンダ変調器５１２の入力に接続され、第１のマッハツェンダ変調器５１２において入力光が変調される。また、光分岐器５１１の他方の出力は、第２のマッハツェンダ変調器５１３の入力に接続され、第２のマッハツェンダ変調器５１３において入力光が変調される。第２のマッハツェンダ変調器５１３の出力は、位相シフタ５１７に接続される。位相シフタ５１７には、入射した光の位相を６０°シフトするような静的な電圧が印加される。第１のマッハツェンダ変調器５１２の出力、および位相シフタ５１７の出力は、ニオブ酸リチウム基板５２０上の光合波器５１６の２つの入力にそれぞれ接続される。光合波器５１６は、２つの入力光を合波する。光合波器５１６の出力は、ニオブ酸リチウム基板５２０の導波路を通って出力ファイバ５１８に結合され、出力ファイバ５１８に出力される。

エンコーダ５２１は、入力の５ビットのバイナリ信号（入力データ）を、−１，０，１の３値信号による２シンボルとして、２系統の出力のそれぞれに出力する機能を有する。図６は、入力信号ビット列に対するエンコーダ５２１の出力信号と発生位相を示す表である。図６に示す「出力１」はエンコーダ５２１から第１のマッハツェンダ変調器５１２に与えられる第１の出力５１４に相当し、「出力２」はエンコーダ５２１から第２のマッハツェンダ変調器５１３に与えられる第２の出力５１５に相当する。

エンコーダ５２１の第１の出力５１４は、ドライバ増幅器５２２の入力に接続される。ドライバ増幅器５２２は、入力された信号を増幅する。ドライバ増幅器５２２の出力は、第１のマッハツェンダ変調器５１２に接続され、変調器を駆動する。同様に、エンコーダ５２１の第２の出力５１５は、ドライバ増幅器５２３の入力に接続される。ドライバ増幅器５２３は、入力された信号を増幅する。ドライバ増幅器５２３の出力は、第２のマッハツェンダ変調器５１３に接続され、変調器を駆動する。

また、第１のマッハツェンダ変調器５１２は、ＤＣバイアスポート５２４を備え、第２のマッハツェンダ変調器５１３は、ＤＣバイアスポート５２５を備えている。ＤＣバイアスポート５２４には、ドライバ増幅器５２２からの入力電圧が０のときに消光状態となるような適切な電圧が印加され、ＤＣバイアスポート５２５には、ドライバ増幅器５２３からの入力電圧が０のときに消光状態となるような適切な電圧が印加される。

次に、図５に示す光変調器の動作を説明する。入射ファイバ５１０から入力された光は、光分岐器５１１で等量の２つの光に分割され、第１の信号光は、第１のマッハツェンダ変調器５１２で変調される。第１のマッハツェンダ変調器５１２には、エンコーダ５２１からの信号がドライバ増幅器５２２でピーク間振幅２Ｖπに増幅された駆動信号が入力される。駆動信号は、３つの電圧レベル−Ｖπ，０，Ｖπを有する。また、ＤＣバイアスポート５２４には、駆動信号が０のときに消光状態になる電圧（すなわち、図４に示された電圧Ｖｂ）が印加される。この結果、第１のマッハツェンダ変調器５１２から、発光かつ位相０、消光、発光かつ位相πの３状態間を遷移する信号光が得られる。同様に、第２のマッハツェンダ変調器出力５１３からも３状態間を遷移する信号光が得られる。

位相シフタ５１７は、第２のマッハツェンダ変調器５１３の出力に固定位相シフトを与える。位相シフトのために位相シフタ５１７に印加される電圧は、第１のマッハツェンダ変調器５１２の出力光と位相シフタ５１７からの出力光とが光合波器５１６で合波されるときに、位相差が６０°となるよう最適化されている。例えば、光分岐器５１１から光合波器５１６までの２つの光経路の光路長が等しい場合には、印加すべき電圧はＶπ／３である。このように合波することによって、６値のＰＳＫ信号を得ることができる。入力信号ビット列に対する発生位相は、図６に示す「位相１」および「位相２」である。以上のようにして、６値の位相変調信号を生成することができる。

なお、位相シフタ５１７が与える電圧で作成される位相差であって光合波器５１６において必要とされる位相差は６０゜に限られず、１２０゜、２４０゜、３００゜のいずれであってもよい。なぜなら、２つの変調器の出力信号は、相対位相差６０゜（＋６０゜または−６０゜）であればよく、それぞれの位相差の絶対値にはよらないからである。

図５に示された第２の実施形態では、２シンボル（３６状態）内に５ビット（２^５=３２）を収容して５ビット（３２状態）の６値位相変調光の伝送を行う。このように、伝送すべき状態数（３２状態）に比べて、信号光の状態数（３６状態）が多いので、信号光の状態への５ビットのデータのマッピングに自由度が生じる。

第１のマッハツェンダ変調器５１２および第２のマッハツェンダ変調器５１３を駆動する信号は高速信号であることから、ドライバ増幅器５２２およびドライバ増幅器５２３として、ＡＣ結合型の増幅器が用いられることが一般的である。ＡＣ結合型のドライバ増幅器で増幅を行う場合には、信号の平均レベルに応じて、入力”０”レベルに対して、出力が”０”レベルからずれ、増幅率に応じて変化した値になってしまう。例えば、図６に示された真理値表に示すようなエンコードを行う場合には、第１のマッハツェンダ変調器５１２および第２のマッハツェンダ変調器５１３に印加されるシンボルの平均値は、それぞれ約０．０４６８７５、−０．０７８１２５であり、出力レベルが入力レベルに対してずれる可能性が生ずる。

そのような可能性をなくすには、状態へのマッピングの自由度を利用して、シンボルの平均値が０になるよう割り当てを行えばよい。具体的には、割り当てを図７に示すようにする。図７に示す割り当てでは、５ビット（３２状態）のそれぞれのデータに割り当てられたシンボルの平均値が０になる。第１のマッハツェンダ変調器５１２および第２のマッハツェンダ変調器５１３に対して、５ビットのデータのそれぞれに割り当てられたシンボルが順次出力されるので、３値信号の時間平均の値が０である。この結果、ＡＣ結合型のドライバ増幅器を用いても、入力”０”レベルに対して出力が”０”レベルになり、増幅率に依存しなくなって動作が安定化する。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る光変調器のブロック図である。図８に示す光変調器では、６値位相変調信号を発生するために、マッハツェンダ変調器が２値の電気信号で駆動される。エンコーダ８２３は、入力データを４系列の２値信号に変換して出力する。入射ファイバ８０１から入力された光は、光分岐器８１１で等量の２つの光に分割される。第１の信号光は第１のマッハツェンダ変調器８１２に入力され、第１のマッハツェンダ変調器８１２で変調される。第１のマッハツェンダ変調器８１２には、エンコーダ８２３からの第１の出力（２値信号）８２４がドライバ増幅器８２８でピーク間振幅２Ｖπに増幅された駆動信号が入力される。駆動信号は、２つの電圧レベル−Ｖπ，Ｖπを有する。

ＤＣバイアスポート８１４には、駆動信号が０のときに消光状態となるような電圧、すなわち、図４に示された電圧Ｖｂが印加される。この結果、第１のマッハツェンダ変調器８１２から、発光かつ位相０、発光かつ位相πのいずれかの状態の信号光が得られる。第３のマッハツェンダ変調器８１６は、第１のマッハツェンダ変調器８１２の出力光を強度変調する。

また、第３のマッハツェンダ変調器８１６には、エンコーダ８２３からの第３の出力（２値信号）８２５がドライバ増幅器８２９でピーク間振幅Ｖπに増幅された信号が印加される。このとき、ＤＣバイアスポート８１８に適切な電圧が印加され、第３のマッハツェンダ変調器８１６に対する２つの入力レベルに対して、光を全透過または遮断させる。第１のマッハツェンダ変調器８１２による位相変調と第３のマッハツェンダ変調器８１６による強度変調とを組み合わせることによって、図５に示された第１の実施形態における第１のマッハツェンダ変調器５１２が出力する、発光かつ位相０、消光、発光かつ位相πを含む光の３つの状態が形成される。

光分岐器８１１からの第２の信号光は第２のマッハツェンダ変調器８１３に入力され、第２のマッハツェンダ変調器８１３で変調される。第２のマッハツェンダ変調器８１３には、エンコーダ８２３からの第２の出力（２値信号）８２６がドライバ増幅器８３０でピーク間振幅２Ｖπに増幅された駆動信号が入力される。

ＤＣバイアスポート８１５には、駆動信号が０のときに消光状態となるような電圧、すなわち、図４に示された電圧Ｖｂが印加される。この結果、第２のマッハツェンダ変調器８１３から、発光かつ位相０、発光かつ位相πのいずれかの状態の信号光が得られる。第４のマッハツェンダ変調器８１７は、第２のマッハツェンダ変調器８１３の出力光を強度変調する。

ＤＣバイアスポート８１５には、駆動信号が０のときに消光状態となるような電圧、すなわち、図４に示された電圧Ｖｂが印加される。よって、第２のマッハツェンダ変調器８１３から、発光かつ位相０、発光かつ位相πのいずれかの状態の信号光が得られる。第４のマッハツェンダ変調器８１７は、第２のマッハツェンダ変調器８１３の出力光を強度変調する。

また、第４のマッハツェンダ変調器８１７には、エンコーダ８２３からの第４の出力（２値信号）８２７がドライバ増幅器８３１でピーク間振幅Ｖπに増幅された信号が印加される。ＤＣバイアスポート８１９に適切な電圧が印加され、第４のマッハツェンダ変調器８１７に対する２つの入力レベルに対して、光を全透過または遮断させる。第２のマッハツェンダ変調器８１３による位相変調と第４のマッハツェンダ変調器８１７による強度変調とを組み合わせることによって、発光かつ位相０、消光、発光かつ位相πを含む光の３つの状態が形成される。位相シフタ８２１は、第４のマッハツェンダ変調器８１７の出力光に対して６０°の位相差を与える。

光合波器８２０は、第３のマッハツェンダ変調器８１６の出力光と位相シフタ８２１の出力光とを合波して出力する。光合波器８２０の出力は、ニオブ酸リチウム結晶基板８３２の導波路を通って出力ファイバ８２２に結合され、出力ファイバ８２２に出力される。エンコーダ８２３が出力し、第１のマッハツェンダ変調器８１２、第２のマッハツェンダ変調器８１３、第３のマッハツェンダ変調器８１６および第４のマッハツェンダ変調器８１７に印加される信号を、例えば図９に示すようにすればよい。本実施形態では、光変調器を駆動する信号をすべて２値信号として、６値位相変調光を生成する。

なお、図９において、「出力１（ＰＭ−１）」，「出力２（ＡＭ−１）」は、それぞれ、エンコーダ８２３から第１のマッハツェンダ変調器８１２に与えられる第１の出力８２４、エンコーダ８２３から第３のマッハツェンダ変調器８１６に与えられる第１の出力８２５に相当する。「出力３（ＰＭ−２）」，「出力４（ＡＭ−２）」は、それぞれ、エンコーダ８２３から第２のマッハツェンダ変調器８１３に与えられる第２の出力８２６、エンコーダ８２３から第４のマッハツェンダ変調器８１７に与えられる第４の出力８２７に相当する。また、図９において、「＊」は、３値のうちのいずれでもよいことを示す。

また、本実施形態では、第３のマッハツェンダ変調器８１３および第４のマッハツェンダ変調器８１７を用いるが、強度変調できれば必ずしもマッハツェンダ変調器である必要はない。例えば、第３のマッハツェンダ変調器８１３および第４のマッハツェンダ変調器８１７に代えて、電界吸収型の光変調器や音響光学効果を用いた光変調器を用いてもよい。また、位相変調と強度変調の順序を、図８に示された順序と逆にしても、本実施形態の場合と同様の効果が得られる。また、図９に示す符号割り当ては一例であり、他の符号の割り当て方をしてもよい。

（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る光通信システムのブロック図である。図１０に示す光通信システムは、本発明の一態様に係る光変調器１００２と、コヒーレント検波方式の受信部（コヒーレント受信を行う受信部）とを含む。

図１０に示す光通信システムにおいて、光変調部１００２は、単色波長光源１００１からの光を、入力バイナリデータ１００３で変調し、６値位相変調光を生成する。光変調部１００２の構成は、図５や図８に示された構成である。光変調部１００２からの光は、受信部において、光スプリッタ１００８で分岐される。また、受信部に、局発光源１００４が備えられている。局発光源１００４からの光は、光スプリッタ１００５で２つの局発光に分岐される。一方の局発光には光位相シフタ１００６によって９０°の位相シフトが与えられる。光カプラ１００９は、光スプリッタ１００８からの一方の信号光と、光スプリッタ１００５からの一方の局発光とを混合した後、光検出器１０１０に出力する。光検出器１０１０は、光カプラ１００９からの信号光を電気信号に変換する。

同様に、光カプラ１００７は、光スプリッタ１００８からの他方の信号光と、光位相シフタ１００６からの他方の局発光とを混合した後、光検出器１０１１に出力する。光検出器１０１１は、光カプラ１００７からの信号光を電気信号に変換する。光検出器１０１０，１０１１に入力される２つの光は、信号光のｓｉｎθ、ｃｏｓθ成分（θは光位相）を表す信号になる。位相検出器１０１２は、２つの電気信号からθを検出し、受信信号が６状態のいずれになっているかを識別する。位相検出器１０１２によって識別されて出力された６値信号は、１：２分離回路１０１３によって２つのシンボルに分離される。デコーダ１０１４は、１：２分離回路１０１３が分離したシンボルから５ビットの情報を復元して出力する。以上のようにして、受信された６値信号光から元のデータが復元される。

本実施形態では、局発光と信号光とが位相同期していることを前提にしているが、位相同期を行う方法は当業者によく知られている。なお、位相ダイバーシチ技術を用いて位相推定を行ってもよい。また、局発光の位相および周波数と信号光の位相および周波数とがずれた状態で受信するヘテロダイン受信を行っても、受信された６値信号光から元のデータを復元できる。ヘテロダイン法を用いた受信方式も、当業者によく知られている。

本発明を特別に示し且つ例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明は、その実施形態及びその変形に限定されるものではない。当業者に明らかなように、本発明は、添付のクレームに規定される本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の変更が可能である。

本出願は、２００７年１０月１０日出願に係る日本特許出願２００７−２６４４１６号を基礎とし且つその優先権を主張するものであり、引用によってその開示の内容の全てを本出願の明細書中に加入する。

Claims (7)

1. 入射した光を第１及び第２の信号光に分岐する光分岐器と、
   前記第１の信号光を変調する第１のマッハツェンダ変調器と、
   前記第２の信号光を変調する第２のマッハツェンダ変調器と、
   前記第２のマッハツェンダ変調器の出力光の位相に固定的な位相シフトを与える位相シフタと、
   前記第１のマッハツェンダ変調器からの出力光と前記位相シフタからの出力光とを合波する光合波器とを備え、
   前記位相シフタは、前記光合波器における２つの入力光の位相差が６０度になるように前記位相シフトを与え、
   前記第１のマッハツェンダ変調器および前記第２のマッハツェンダ変調器が３値信号で駆動されることを特徴とする光変調器。
2. 前記３値信号のそれぞれの時間平均の値が０である、請求項１に記載の光変調器。
3. ３値信号を生成するエンコーダを備え、前記エンコーダは、５ビットの入力データから、第１のマッハツェンダ変調器および第２のマッハツェンダ変調器に供給される２シンボルの３値信号を２系列作成して出力する、請求項１に記載の光変調器。
4. ５ビットの入力データのそれぞれに対応する全ての３値信号の平均値が０である、請求項３に記載の光変調器。
5. 入射した光を第１及び第２の信号光に分岐する光分岐器と、
   前記第１の信号光を変調する第１の位相変調器と、
   前記第２の信号光を変調する第２の位相変調器と、
   前記第１の位相変調器の出力光の強度を変調する第１の強度変調器と、
   前記第２の位相変調器の出力光の強度を変調する第２の強度変調器と、
   前記第２の強度変調器の出力光の位相に固定的な位相シフトを与える位相シフタと、
   前記第１の強度変調器からの出力光と前記位相シフタからの出力光とを合波する光合波器とを備え、
   前記位相シフタは、前記光合波器における２つの入力光の位相差が６０度になるように前記位相シフトを与え、
   前記第１の位相変調器、第２の位相変調器、第１の強度変調器および第２の強度変調器が２値信号で駆動されることを特徴とする光変調器。
6. 入力データを２系列の３値信号に変換して出力するエンコーダ回路と、
   入射した光を第１及び第２の信号光に分岐する光分岐器と、
   前記第１の信号光を変調する第１のマッハツェンダ変調器と、
   前記第２の信号光を変調する第２のマッハツェンダ変調器と、
   前記第２のマッハツェンダ変調器の出力光の位相に固定的な位相シフトを与える位相シフタと、
   前記第１のマッハツェンダ変調器からの出力光と前記位相シフタからの出力光とを合波する光合波器と、
   前記光合波器の出力光を受け取り、局発光を用いてコヒーレント受信を行う受信手段と、
   前記受信手段の出力信号光から光の位相を検出する位相検出手段と、
   前記位相検出手段の出力にもとづいてバイナリデータを出力するデコーダ回路とを備え、
   前記位相シフタは、前記光合波器における２つの光の位相差が６０度になるように前記位相シフトを与え、
   前記第１のマッハツェンダ変調器および前記第２のマッハツェンダ変調器が前記エンコーダ回路から出力された３値信号で駆動される、ことを特徴とする光通信システム。
7. 入力データを４系列の２値信号に変換して出力するエンコーダ回路と、
   入射した光を第１及び第２の信号光に分岐する光分岐器と、
   前記第１の信号光を変調する第１の位相変調器と、
   前記第２の信号光を変調する第２の位相変調器と、
   前記第１の位相変調器の出力光の強度を変調する第１の強度変調器と、
   前記第２の位相変調器の出力光の強度を変調する第２の強度変調器と、
   前記第２の強度変調器の出力光の位相に固定的な位相シフトを与える位相シフタと、
   前記第１の強度変調器からの出力光と前記位相シフタからの出力光とを合波する光合波器と、
   前記光合波器の出力光を受け取り、局発光を用いてコヒーレント受信を行う受信手段と、
   前記受信手段の出力光の位相を検出する位相検出手段と、
   前記位相検出手段の出力にもとづいてバイナリデータを出力するデコーダ回路とを備え、
   前記位相シフタは、前記光合波器における２つの光の位相差が６０°になるように前記位相シフトを与え、
   前記第１の位相変調器、第２の位相変調器、第１の強度変調器および第２の強度変調器が前記エンコーダ回路から出力された２値信号で駆動される、ことを特徴とする光通信システム。

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