JP5303951B2 - 光変調器および光変調方法 - 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変調光信号を生成する光変調器および光変調方法に関する。

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重要な技術である。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くなることである。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、光信号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の理由による利点は、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を伝送するシステムの運用が開始されている。

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

１波長あたり１０Ｇｂｐｓまでの信号を伝送する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（Non-Return-to Zero）方式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方式である。

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って波形劣化が生ずることである。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。波長分散や偏波分散によって伝送距離が制限される。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、信号多重を行う電気回路の動作速度限界である。例えば、１００Ｇｂｐｓの信号伝送を行うために、帯域１００ＧＨｚ級の電子回路（正常に処理することが可能な信号の周波数が１００ＧＨｚ級である電子回路、すなわち、１００ＧＨｚ程度の信号を正常に処理できる電子回路）が必要になる。しかし、現状の技術では、経済性に優れるシリコンＣＭＯＳで、そのような回路を実現することは難しい。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であるが、そのような技術を用いても、デバイスの動作速度限界に近いため、安定した運用を行うためにはさまざまな技術課題を克服する必要がある。

そこで、光の多値変調技術が注目されている。多値位相変調は、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、４０Ｇｂｐｓ光伝送などにおいて、４相差動位相変調（Differential Quadrature Phase Shift Keying、以下、ＱＰＳＫという。）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、シンボル速度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。

その結果、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ことになる。

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ことによって、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。この結果、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値変調にくら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光信号の生成、伝送、検出に関する技術開発が進められている。

さらに、光信号の多値数を増加させる変調方式として、８値変調方式が有効な方式である。特に、８相位相シフトキーイング変調方式（以下、８相ＰＳＫという。）は、差動検波による簡易な受信も可能な方式として、有効であると考えられる。

最も簡単には、光位相変調器に８値の電圧信号を加えることによって、８相ＰＳＫ信号を生成することができる。光位相変調器は、印加された電圧に比例した位相シフトを光に与えるので、８つの電圧レベルを持ちレベル間の電圧差が等しい駆動信号を光位相変調器に印加すればよい。この生成方法は、単一の変調器で実現できる簡便な方法である。しかし、８値の電圧信号という複雑な駆動信号を生成しなければならないこと、生成信号のレベル間電圧差が波形歪みなどでばらついた場合に、光位相もばらついて品質が劣化するなどの課題があり、数１０Ｇｂｐｓを超える超高速領域では用いることが難しいとされている。

この問題を解決するための８相ＰＳＫ信号の生成方法が、非特許文献１に開示されている。図１０は、非特許文献１に示されている８相ＰＳＫ信号の生成方法を示す説明図である。図１０は、非特許文献１におけるFig.１に相当する。入射端１０１０から入射した光は、等しい光量で２つに分岐される。分岐されたうちの一方には、第１の位相変調器１０１１で、位相０またはπの２相ＰＳＫ変調が施される。他方には、第２の位相変調器１０１２で、やはり位相０またはπの２値変調が施された後、位相シフタ１０１３で３π／２の位相シフトが与えられる。位相変調が与えられた２つの光は合波されて、出射端１０１４から出力される。出射端１０１４では、光の位相が０，π／２，π，３π／２の４状態となる信号が生成される。さらに、位相変調器１０１５によって、入力電気信号に従って、光の位相を０またはπ／４だけシフトするように変調する。この結果、出力端１０１６において、光の位相が０，π／４，π／２，３π／４，π，５π／４，３π／２，７π／４の８状態を持つＰＳＫ信号を生成することができる。

図１１は、上記の方式によって生成されたＰＳＫ信号のコンスタレーション表示（複素光電界の実部を横軸、虚部を縦軸にとった表示方法）を示す説明図である。図１０に示す第１の位相変調器１０１１で与えられる位相変調は、光電界の複素数平面表示である図１１では、位相変調（具体的には、光信号状態）１１１１のように示される。図１０に示す第２の位相変調器１０１２で与えられる位相変調は、後段の位相シフタ１０１３で与えられる３π／２の位相シフトを考慮すると、図１１では、位相変調１１１２のように示される。これらを合波すると、４つの信号状態（位相状態）１１１３が生成される。さらに、位相変調器１０１５によるＰＳＫ変調が加わることによって、４つの位相状態１１１４が加えられ、変調器の出力端１０１６において、光８相ＰＳＫ信号が生成される。なお、例えば特許文献１に示されるように、図１０に示す２つの位相変調器１０１１，１０１２としてマッハツェンダ変調器を用いることによって、２相ＰＳＫをより簡易かつ精度よく施せることが知られている。

上記の光８相ＰＳＫ信号の生成のための変調方式とは異なる方式が、特許文献２に開示されている。特許文献２に開示された方式では、バイナリデータ信号をＤ−Ａ変換し、ｍ系列およびｎ系列（ｍ，ｎ≧２）の２組の並列バイナリデータ信号として出力する。そして、ｍ系列およびｎ系列の並列バイナリデータ信号からそれぞれ２ｍレベルおよび２ｎレベルのアナログ信号を生成する。さらに、生成したアナログ信号を、光信号に振幅変調の同相成分を重畳するマッハツェンダ型振幅変調部と光信号に振幅変調の直交成分を重畳するマッハツェンダ型振幅変調部とに、駆動信号として供給する。このとき、生成するアナログ信号を、適切な２ｍレベルおよび２ｎレベルのアナログ信号にすることによって、任意の光信号を生成することが可能である。すなわち、８相ＰＳＫ信号の生成も可能になる。そのような方式によれば、８相ＰＳＫ信号を生成するのに必要な変調器が１台ですむため、光損失が小さくなる利点がある。

特許第２７６０８５６号公報 特開２００７−２８８５９１号公報 Ly-Gagnon, D.-S.; Katoh, K.; Kikuchi, K.;,"Coherent demodulation of differential 8-phase-shift keying with optical phase diversity and digital signal processing "，Lasers and Electro-Optics Society, 2004.LEOS 2004. The 17th Annual Meeting of the IEEE, Volume 2, 7-11 Nov. 2004 Page(s):607 - 608 Vol.2

しかし、上記の背景技術では、以下に示す課題がある。第１の課題は、変調器を駆動する信号の振幅歪みによって、生成される光信号の品質がたやすく劣化してしまうことである。例えば、特許文献２に示された光８相ＰＳＫ信号の生成方法では、同相成分および直交成分への印加信号が２ｍレベルおよび２ｎレベルのアナログ信号であることが必要である。アナログ信号の波形が歪んだ場合、光信号の同相成分および直交成分にその歪みがそのまま現れてしまう。その結果、多値信号間の距離が狭まり、品質が劣化してしまう。一般的に、光変調器を駆動する電圧は数Ｖ以上と高く、１０Ｇｂｐｓ級のシンボル速度を持つアナログ信号をこの振幅まで、歪なく増幅することは難しいことが知られている。したがって、振幅歪みによる光信号品質劣化を抑えることが困難になる。

第２の課題は、光位相変調器を用いて、２値のディジタル信号で変調を施した場合でも、ディジタル信号の振幅歪みによって、生成される光信号の品質がたやすく劣化してしまうことである。上述したように、第１の課題として、多値の駆動信号を歪みなく増幅することが難しいことから品質が劣化する可能性がある。品質劣化を回避するには、２値のディジタル信号により駆動される光変調部を複数配置すればよい。図１０に示された非特許文献１に開示された構成では、複数の光変調部が配置されている。そして、位相変調器１０１５によって位相振れ幅π／４のＰＳＫ変調を施している。しかし、非特許文献１に開示された光変調機では、変調は印加電圧に比例した位相シフトを与える光位相変調器を用いて実現されている。印加電圧に比例した位相シフトを与えるように構成された変調器では、位相シフトを与える電圧からのずれが、そのまま位相シフト量のずれになって現れる。位相シフト量のずれは、生成される光８相ＰＳＫ信号の品質劣化の直接的な要因になる。品質の高い信号を生成するためには、オーバーシュートやアンダーシュートのない高品質な２値ディジタル信号を用いなくてはならないが、１０Ｇｂｐｓを超えるシンボルレートでそのような歪みがない駆動信号を生成することは容易ではない。

そこで、本発明は、多少の波形歪みがある２値信号を用いて駆動された場合でも、高品質な光８相ＰＳＫ信号を生成することができる光変調器および光変調方法を提供することを目的とする。

本発明による光変調器は、入射した光を２つに分岐する第１の分岐部と、第１の分岐部で分岐された第１の光を２つに分岐する第２の分岐部と、第２の分岐部で分岐された第１の光を変調するための第１のマッハツェンダ変調器と、第２の分岐部で分岐された第２の光を変調するための第２のマッハツェンダ変調器と、第２のマッハツェンダ変調器に接続され光の位相をシフトする第１の位相シフタと、第１のマッハツェンダ変調器の出力光と第１の位相シフタの出力光とを合波して出力する第１の合波部と、第１の分岐部で分岐された第２の光を変調するための第３のマッハツェンダ変調器と、第３のマッハツェンダ変調器の出力光の位相をシフトする第２の位相シフタと、第１の合波部の出力光と第２の位相シフタの出力光とを合波して出力する第２の合波部とを備え、第１のマッハツェンダ変調器、第２のマッハツェンダ変調器および第３のマッハツェンダ変調器は２値信号で駆動され、第１の位相シフタには、第１のマッハツェンダ変調器の出力光と第２のマッハツェンダ変調器の出力光との位相差が、第１の合波部で（１８０×ｎ（ｎは整数）＋９０）度となる電圧が印加され、第２の位相シフタには、第１の合波部の出力光と第２の位相シフタの出力光との位相差が、第２の合波部で（９０×ｍ（ｍは整数）＋４５）度になるような電圧が印加されていることを特徴とする。

本発明による光変調方法は、入射した光を２つに分岐させる第１分岐処理と、第１分岐処理によって分岐された第１の光を２つに分岐させる第２分岐処理と、第２分岐処理によって分岐された第１の光を第１のマッハツェンダ変調器によって変調する第１変調処理と、第２分岐処理によって分岐された第２の光を第２のマッハツェンダ変調器によって変調する第２変調処理と、第２変調処理後の光の位相をシフトする第１移相処理と、第１変調処理による出力光と第１移相処理による出力光とを合波して出力する第１合波処理と、第１分岐処理によって分岐された第２の光を第３のマッハツェンダ変調器によって変調する第３変調処理と、第３変調処理後の光の位相をシフトする第２移相処理と、第１合波処理による出力光と第２移相処理による出力光とを合波して出力する第２合波処理とを実行し、第１のマッハツェンダ変調器、第２のマッハツェンダ変調器および第３のマッハツェンダ変調器を２値信号で駆動し、第１のマッハツェンダ変調器の出力光と第２のマッハツェンダ変調器の出力光との位相差を（１８０×ｎ（ｎは整数）＋９０）度にするための電圧を用いて第１移相処理を実行し、第１合波処理による出力光と第２移位相処理による出力光との位相差を（９０×ｍ（ｍは整数）＋４５）度にするための電圧を用いて第２移相処理を実行することを特徴とする。

本発明によれば、複数の２値信号で駆動することによって８相ＰＳＫ信号を発生させる装置において、２値信号に歪みが含まれていても高品質な８相ＰＳＫ信号を得ることができる。

図１は、８相ＰＳＫ信号を生成する本発明による光変調器の基本構成を示すブロック図である。本発明では、特許文献１にも示されているように、マッハツェンダ変調器を２値信号で駆動することによって、２値信号に振幅歪みが生じても精度よい位相０またはπの２相ＰＳＫ信号を生成させることができる特徴を利用して、３台のマッハツェンダ変調器を用いることを特徴とする。入射端１００に入射した光は、第１の分岐部１０８で等しい強度に２分岐される。そして、一方が第２の分岐部１０６によってさらに等しい強度に分岐され、それぞれ第１のマッハツェンダ変調器１１２、第２のマッハツェンダ変調器１１３によってＰＳＫ変調される。

第１の位相シフタ１１８は、第１のマッハツェンダ変調器１１２の出力と第２のマッハツェンダ変調器１１３の出力（具体的には、第１の位相シフタ１１８の出力）との位相差が第１の光合波器１０７において９０°になるように、第２のマッハツェンダ変調器１１３の出力の位相をシフトする。第１のマッハツェンダ変調器１１２の出力と第１の位相シフタ１１８の出力とは、第１の光合波器１０７によって合波され、出力される。この結果、第１の光合波器１０７の出力において、４つの位相状態を取る４相ＰＳＫ変調された信号が生成される。このときの出力光信号の各ビットにおける光電界を、図２に示す光電界の複素平面表示で表すと、４相ＰＳＫ信号状態は、４つの信号状態２０１，２０２，２０３，２０４のいずれかになる。

また、第１の分岐部１０８で分岐された他方の光は、第３のマッハツェンダ変調器１１４によって２相ＰＳＫ変調される。なお、第２の位相シフタ１１９は、第３のマッハツェンダ変調器１１４の出力（具体的には、第２の位相シフタ１１９の出力）と、第１の光合波器１０７の出力との位相差が４５°になるように、第３のマッハツェンダ変調器１１４の出力の位相をシフトする。

以上のようにして生成された４相ＰＳＫ信号および２相ＰＳＫ信号が、第２の光合波器１０９で合波され、出射端１０５から出射される。上記のように、４相ＰＳＫ信号および２相ＰＳＫ信号の光位相の関係を、図２に示すように４５°の相対角度になるようにする。図２において、信号状態２０１〜２０４は、４相ＰＳＫ信号状態を示し、信号状態２１１，２１２は、２相ＰＳＫ信号状態を示す。２つの信号の合波によって、図２に示す８つの光位相状態２２１，２２２，２２３，２２４，２２５，２２６，２２７，２２８が生成される。具体的には、各光位相状態は、以下のような組み合わせで生成される。

光位相０° （光位相状態２２１）： ４相ＰＳＫ信号状態２０１と２相ＰＳＫ信号状態２１１の合成
光位相４５° （光位相状態２２２）： ４相ＰＳＫ信号状態２０２と２相ＰＳＫ信号状態２１１の合成
光位相９０° （光位相状態２２３）： ４相ＰＳＫ信号状態２０１と２相ＰＳＫ信号状態２１２の合成
光位相１３５°（光位相状態２２４）： ４相ＰＳＫ信号状態２０２と２相ＰＳＫ信号状態２１２の合成
光位相１８０°（光位相状態２２５）： ４相ＰＳＫ信号状態２０３と２相ＰＳＫ信号状態２１２の合成
光位相２２５°（光位相状態２２６）： ４相ＰＳＫ信号状態２０４と２相ＰＳＫ信号状態２１２の合成
光位相２７０°（光位相状態２２７）： ４相ＰＳＫ信号状態２０３と２相ＰＳＫ信号状態２１１の合成
光位相３１５°（光位相状態２２８）： ４相ＰＳＫ信号状態２０４と２相ＰＳＫ信号状態２１１の合成

なお、合成後の光位相を、光位相状態２２１を表すベクトルを基準とした場合の、光位相状態２２１〜２２８を表すベクトルの位相角の角度表示とした。具体的には、図２に示された各ベクトルの位相から２２．５°を引いた値になっている。

以上のような処理で、８相ＰＳＫ信号が生成される。生成される位相の精度は、各マッハツェンダ変調器で生成されるＰＳＫ信号の品質、それらを合波する際の相対強度、および位相によって決まる。合波する際の相対強度と位相とを、光分岐部および光合波器の分岐比精度、および位相シフタを適切に制御することによって、高精度に決定することができる、その結果、駆動信号に歪みが生じた場合でも、マッハツェンダ変調器で生成される２相ＰＳＫ信号の位相精度が影響を受けないようにすることができる。ただし、歪みの程度が大きくなると、出力信号の強度変化歪みが生ずる可能性がある。しかし、マッハツェンダ変調器の非線形な強度変調特性の効果によって、強度変化量の発生量は小さく、強度変化によって発生する位相誤差は、背景技術による位相変調器を用いた場合に比べて大幅に小さい。すなわち、本発明によれば、駆動信号に波形歪みが含まれる場合でも、高品質な８相ＰＳＫ信号が得られる。

実施形態１．
次に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図３は、本発明による光変調器の第１の実施形態を示すブロック図である。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）３００上に形成される。入射ファイバ３０１（以下、入射端３０１という。）から入射された光はニオブ酸リチウム基板３００の導波路に結合され、第１のＹ分岐部回路３０２で２つに分岐される。分岐比を１：１にする。

第１のＹ分岐部回路３０２の第１の出力は、さらに第２のＹ分岐部回路３０３で２つに分岐される。分岐比を１：１にする。第２のＹ分岐部回路３０３の第１の出力は、第１のマッハツェンダ変調器３０４の入力に接続される。第１のマッハツェンダ変調器３０４は、入力光を変調する。また、第２のＹ分岐部回路３０３の第２の出力は、第２のマッハツェンダ変調器３０５の入力に接続される。第２のマッハツェンダ変調器３０５は、入力光を変調する。第２のマッハツェンダ変調器３０５の出力は、位相シフタ（第１の位相シフタ）３０８に接続される。

位相シフタ３０８には、２つのマッハツェンダ変調器３０４，３０５の出力の位相の第１の合波回路３０９における位相差が９０°になるように、適切な静的電圧が印加される。第１のマッハツェンダ変調器３０４の出力と位相シフタ３０８の出力とは、ニオブ酸リチウム基板３００上の第１の合波回路３０９の２つの入力にそれぞれ接続される。第１の合波回路３０９は、２つの入力光を合波し、出力する。

第１のＹ分岐部回路３０２の第２の出力は、第３のマッハツェンダ変調器３１１の入力に接続される。第３のマッハツェンダ変調器３１１は、入力光を変調する。第３のマッハツェンダ変調器３１１の出力は、位相シフタ（第２の位相シフタ）３１３に接続される。位相シフタ３１３には、第３のマッハツェンダ変調器３１１の出力（具体的には、位相シフタ３１３の出力）と第１の合波回路３０９の出力との位相差が４５°になるように、適切な静的電圧が印加される。第１の合波回路３０９の出力、および位相シフタ３１３の出力は、ニオブ酸リチウム基板３００上の第２の合波回路３１５の２つの入力にそれぞれ接続される。第２の合波回路３１５は、２つの入力光を合波し、出力ファイバ（出力端）３１６から出力する。

エンコーダ３５０は、３ビットの入力のバイナリ信号を適切に分離し、３系統の２値信号を出力する。エンコーダ３５０の３つの出力が、第１の増幅器３５１１、第２の増幅器３５１２および第３の増幅器３５１３に接続されている。第１の増幅器３５１１、第２の増幅器３５１２および第３の増幅器３５１３は、エンコーダ３５０の出力を増幅する。そして、増幅器３５１１，３５１２，３５１３の出力信号は、第１のマッハツェンダ変調器３０４、第２のマッハツェンダ変調器３０５および第３のマッハツェンダ変調器３１１を駆動する。

第１のマッハツェンダ変調器３０４、第２のマッハツェンダ変調器３０５および第３のマッハツェンダ変調器３１１は、ＤＣバイアスポート３０６，３０７，３１２を備えている。ＤＣバイアスポート３０６，３０７，３１２には、第１の増幅器３５１１、第２の増幅器３５１２および第３の増幅器３５１３からの入力電圧が０のときに消光状態になるような電圧が印加される。

次に、図３に示された光変調器の動作を説明する。入射端３０１から入力された光は、第１のＹ分岐部回路３０２で等量の２つの光に分割される。第１のＹ分岐部回路３０２からの一方の光は、さらに第２のＹ分岐部回路３０３で分岐される。第１のマッハツェンダ変調器３０４は、第２のＹ分岐部回路３０３からの一方の光を変調する。第２のマッハツェンダ変調器３０５は、第２のＹ分岐部回路３０３からの他方の光を変調する。位相シフタ３０８は、第１のマッハツェンダ変調器３０４の出力光と第２のマッハツェンダ変調器３０５の出力光（具体的には、位相シフタ３０８の出力光）とのうちの一方の位相に対する他方の相対位相が第２の合波回路３１５において９０°になるように、第２のマッハツェンダ変調器３０５の出力光の位相を調整する。このとき、第１のマッハツェンダ変調器３０４には、増幅器３５１１がエンコーダ３５０からの第１信号をピーク間振幅２Ｖπに増幅した駆動信号が入力される。また、第２のマッハツェンダ変調器３０５には、増幅器３５１２がエンコーダ３５０からの第２信号をピーク間振幅２Ｖπに増幅した駆動信号が入力される。また、ＤＣバイアスポート３０６，３０７には、増幅器３５１１，３５１２からの駆動信号が０のときに消光状態になる電圧が印加される。この結果、第１のマッハツェンダ変調器３０４および第２のマッハツェンダ変調器３０５の出力として、それぞれの駆動信号に対応した２相ＰＳＫ信号が得られる。よって、第１の合波回路３０９の出力において、４相ＰＳＫ信号が得られる。

また、第１のＹ分岐部回路３０２からの他方の光は、第３のマッハツェンダ変調器３１１で変調される。このとき、第３のマッハツェンダ変調器３１１には、増幅器３５１３がエンコーダ３５０からの第３信号をピーク間振幅２Ｖπに増幅した駆動信号が入力される。ＤＣバイアスポート３１２には、増幅器３５１３からの駆動信号が０のときに消光状態になる電圧が印加される。この結果、第３のマッハツェンダ変調器３１１の出力として、駆動信号に対応した２相ＰＳＫ信号が得られる。この２相ＰＳＫ信号と、第１の合波回路３０９からの４相ＰＳＫ信号とが、第２の合波回路５１５で合波される。このとき、第２の合波回路５１５において２つの入力光の間の位相差が４５°になるように、位相シフタ（第２の位相シフタ）３１３に印加する電圧を調整する。この結果、第２の合波回路５１５で合波された光は８つの位相状態を持つ４相ＰＳＫ信号になる。

なお、位相シフタ（第１の位相シフタ）３０８に印加される電圧は、第１の合波回路３０９において位相差を９０°にするような電圧に限られない。第１の合波回路３０９において位相差を（１８０×ｎ（ｎは０以外の整数）＋９０）°のいずれかする電圧であっても、位相差を９０°にするような電圧を印加した場合と同じ効果が得られる。また、位相シフタ３１３は、第２の合波回路３１５において２つの光の位相差を４５°にするものに限られない。第２の合波回路３１５において２つの光の位相差を（９０×ｍ（ｍは０以外の整数）＋４５）°のいずれかの位相差にするものであっても、位相差を４５°にする場合と同じ効果が得られる。

実施形態２．
図３に示された第１の実施形態の光変調器では、８相ＰＳＫ信号が、３台のマッハツェンダ変調器のみで生成する方法が用いられた。しかし、その方法で生成された８相ＰＳＫ信号は、図２に示された光位相状態２２１，２２２，２２３，２２４，２２５，２２６，２２７，２２８からわかるように、光位相状態が異なると、出力強度が異なる。このようなシンボル間の強度差が、シンボル間の違いよる受信感度のばらつきや、光伝送の最中における波形歪みなどの劣化を引き起こすことも考えられる。

そこで、第２の実施形態では、シンボル間での強度差を抑える構成が追加される。図４は、本発明による光変調器の第２の実施形態を示すブロック図である。図４に示す第２の実施形態は、図３に示す第１の実施形態に対して、エンコーダ４００に第４の出力が設けられている。第４の出力である２値信号は、増幅器３５１５を介して、強度変調器（光強度変調器）４０１を駆動する。強度変調器４０１は、第２の合波回路３１５からの出力光の強度を変調する。具体的には、シンボル状態が図２に示された光位相状態２２１，２２４，２２５，２２８である場合には透過強度を小さする。また、光位相状態２２２，２２３，２２６，２２７である場合には透過強度を大きくする。そのような強度変調器４０１の動作によって、シンボル間の強度差を極力小さくできる。第２の実施の形態では、第１の実施形態に対して、光変調器の駆動系に強度変調器４０１等が追加され構成が複雑化するが、シンボル間の強度が揃って、特性を向上させることができる。

なお、第２の実施形態では、強度のばらつきを抑えるために強度変調器４０１が用いられたが、光の強度を制御できるのであれば強度変調器４０１以外の手段を用いてもよく、例えば、２値の電気信号によって増幅率が可変の光増幅器を用いることもできる。

実施形態３．
図５は、本発明による光変調器の第３の実施形態を示すブロック図である。第３の実施形態も、第２の実施形態の場合と同様に、シンボル間での強度差を抑えるための構成を有する。第３の実施形態では、図３に示された第１の実施形態における第３のマッハツェンダ変調器３１１に代えて、第３のマッハツェンダ変調器５０２および第４のマッハツェンダ変調器５０３を用いる。

第１のＹ分岐部回路３０２で等量の２つの光に分割された第２の出力光は、さらに第３のＹ分岐部回路５０１で分岐される。第３のマッハツェンダ変調器５０２は、第３のＹ分岐部回路５０１からの一方の光を変調する。第４のマッハツェンダ変調器４０３は、第３のＹ分岐部回路５０１からの他方の光を変調する。位相シフタ（第２の位相シフタ）５０６は、第３のマッハツェンダ変調器５０２の出力光と第４のマッハツェンダ変調器５０３の出力光（具体的には、位相シフタ５０６の出力光）とのうちの一方の位相に対する他方の相対位相が第３の合波回路５０７（第３のマッハツェンダ変調器の出力光と第２の位相シフタの出力光とを合波して出力する第２の合波部に相当）において９０°になるように、第４のマッハツェンダ変調器５０３の出力光の位相を調整する。すなわち、位相シフタ５０６には、第３のマッハツェンダ変調器５０２の出力光と第４のマッハツェンダ変調器５０３の出力光との位相差が９０°になるように、適切な電圧が印加される。

また、第３のマッハツェンダ変調器５０２には、エンコーダ５００からの第３信号が増幅器３５１３でピーク間振幅２Ｖπに増幅された駆動信号が入力される。第４のマッハツェンダ変調器５０３には、エンコーダ５００からの第４信号が増幅器３５１４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５０４，５０５には、増幅器３５１３，３５１４からの駆動信号が０のときに消光状態になる電圧が印加される。この結果、第３のマッハツェンダ変調器５０２および第４のマッハツェンダ変調器５０３の出力として、それぞれ駆動信号に対応した２相ＰＳＫ信号が得られる。よって、第３の合波回路５０７の出力として、４相ＰＳＫ信号が得られる。

第１の合波回路３０９からの４相ＰＳＫ信号および第３の合波回路５０７からの２相ＰＳＫ信号は、第２の合波回路３１５（第１の合波部の出力光と第３の位相シフタの出力光とを合波して出力する第３の合波部に相当）によって合波される。このとき、第２の合波回路３１５に入力される４相ＰＳＫ信号および２相ＰＳＫ信号の光位相の相対関係が４５°になるようにする。そのために、第３の合波回路５０７の出力に接続された第３の位相シフタ５０８に適切な電圧（光位相の相対関係が４５°にするための電圧）が印加される。具体的には、第１の合波回路３０９からの信号と第３の合波回路５０７からの信号とが、図６に示すように、４５°の角度差を持って合波されるように、第３の位相シフタ５０８の移相量を調節する。すなわち、第３の位相シフタ５０には、第２の合波回路３１５において第１の合波回路３０９の出力光と第３の合波回路５０７の出力光との位相差が４５°になるように、適切な電圧が印加される。

図６に示す光電界の複素平面表示において、信号状態６０１〜６０４は、第１の合波回路３０９からの４相ＰＳＫ信号の４相ＰＳＫ信号状態を示す。信号状態６１１〜６１４は、第３の合波回路５０７からの４相ＰＳＫ信号の４相ＰＳＫ信号状態を示す。

第３の位相シフタ５０８の移相量が調整され、第２の合波回路３１５によって合波がなされると、図６に示す８つの光位相状態２２１，２２２，２２３，２２４，２２５，２２６，２２７，２２８が生成される。具体的には、各光位相状態は、以下のような組み合わせで生成される。すなわち、８相ＰＳＫ信号が、以下の組み合わせにより得られる。

光位相０°（光位相状態６２１）： ４相ＰＳＫ信号状態６０１と４相ＰＳＫ信号６１１の合成
光位相４５° （光位相状態６２２）： ４相ＰＳＫ信号状態６０１と４相ＰＳＫ信号６１２の合成
光位相９０° （光位相状態６２３）： ４相ＰＳＫ信号状態６０２と４相ＰＳＫ信号６１２の合成
光位相１３５°（光位相状態６２４）： ４相ＰＳＫ信号状態６０２と４相ＰＳＫ信号６１３の合成
光位相１８０°（光位相状態６２５）： ４相ＰＳＫ信号状態６０３と４相ＰＳＫ信号６１３の合成
光位相２２５°（光位相状態６２６）： ４相ＰＳＫ信号状態６０３と４相ＰＳＫ信号６１４の合成
光位相２７０°（光位相状態６２７）： ４相ＰＳＫ信号状態６０４と４相ＰＳＫ信号６１４の合成
光位相３１５°（光位相状態６２８）： ４相ＰＳＫ信号状態６０４と４相ＰＳＫ信号６１１の合成

なお、位相シフタ５０６に印加される電圧は、第３の合波回路５０７において位相差を９０°にするような電圧に限られない。第３の合波回路５０７において位相差を（１８０×ｍ（ｍは０以外の整数）＋９０）°のいずれかする電圧であっても、位相差を４５°にするような電圧を印加した場合と同じ効果が得られる。また、第３の位相シフタ５０８に印加される電圧は、第２の合波回路３１５において位相差を４５°にするような電圧に限られない。第２の合波回路３１５において位相差を（９０×ｋ（ｋは０以外の整数）＋４５）°のいずれかする電圧であっても、位相差を４５°にするような電圧を印加した場合と同じ効果が得られる。

また、４系統の出力を持つエンコーダ５００は、各マッハツェンダ変調器３０４，３０５，５０２，５０３に対して、上記組み合わせが実現される２値の信号を生成する機能を備えている。また、第１の実施の形態では３台のマッハツェンダ変調器を用いたのに対して、第３の実施形態では、計４台のマッハツェンダ変調器を用いることによって、シンボル間での強度のばらつきを小さくしている。

実施形態４．
第３の実施の形態では、４台のマッハツェンダ変調器を用いてシンボル間での強度のばらつきを小さくするようにしたが、４台のマッハツェンダ変調器を用いた場合には、光変調器の小型化や性能安定化の点で課題が生ずる可能性がある。

そこで、第４の実施の形態では、３台のマッハツェンダ変調器を用いて、シンボル間での強度ばらつきが少ない８相ＰＳＫ信号を生成する構成を採用する。図７は、本発明による光変調器の第４の実施形態を示すブロック図である。

第４の実施の形態では、ＰＳＫ変調に用いられるチャープ（強度変調に伴って発生する位相変調成分）が生じないマッハツェンダ変調器に代えて、所定のチャープを生ずるマッハツェンダ変調器７０１を用いる。具体的には、αパラメータが０．２５であるマッハツェンダ変調器７０１を用いる。なお、マッハツェンダ変調器７０１よりも入射端３０１側の構成は、図３に示された第１のＹ分岐部回路３０３から第１の合波回路３０９までの構成と同じになる。マッハツェンダ変調器７０１を、２値信号によって振幅２Ｖπで駆動すると、図８に示す光電界の複素平面表示に示されるように、位相が０°の信号状態８００と、位相が１３５°の信号状態８０１の２状態をとるＰＳＫ信号が生成される。この特性を利用するために、図１０に示された位相変調器１０１５をマッハツェンダ変調器７０１に置き換える。

入射端３０１から入力された光は、第１のＹ分岐部回路３０３で等量の２つの光に分割される。一方の光は第１のマッハツェンダ変調器３０４で変調される。他方の光は第２のマッハツェンダ変調器３０５で変調される。そして、位相シフタ３０８は、第１のマッハツェンダ変調器３０４の出力光と第２のマッハツェンダ変調器３０５の出力光（具体的には、位相シフタ３０８の出力光）とのうちの一方の位相に対する他方の相対位相が第１の合波回路３０９において９０°になるように、第２のマッハツェンダ変調器３０５の出力光の位相を調整する。

このとき、第１のマッハツェンダ変調器３０４には、エンコーダ７００からの第１信号を増幅器３５１１がピーク間振幅２Ｖπに増幅した駆動信号が入力される。また、第２のマッハツェンダ変調器３０５には、エンコーダ７００からの第２信号を増幅器３５１２がピーク間振幅２Ｖπに増幅した駆動信号が入力される。また、ＤＣバイアスポート３０６，３０７には、増幅器３５１１，３５１２からの駆動信号が０のときに消光状態になる電圧が印加される。この結果、第１マッハツェンダ変調器３０４および第２のマッハツェンダ変調器３０５の出力として、それぞれ駆動信号に対応した２相ＰＳＫ信号が得られる。そして、第１の合波回路３０９の出力として、４相ＰＳＫ信号が得られる。

図９は、第１の合波回路３０９の出力の信号状態９０１，９０２，９０３，９０４を表す光電界の複素平面表示を示す説明図である。

第１の合波回路３０９の出力を、エンコーダ７００の出力を増幅した２値信号で駆動されるα=０．２５のマッハツェンダ変調器７０１で変調すると、図９に示すように、信号状態９０１の信号は入力に応じ信号状態９１１に変調される。なお、マッハツェンダ変調器７０１には、エンコーダ７００からの第３信号を増幅器３５１３がピーク間振幅２Ｖπに増幅した駆動信号が入力される。また、ＤＣバイアスポート７０２には、増幅器３５１３からの駆動信号が０のときに消光状態になる電圧が印加される。同様の変調方式で信号状態９０２，９０３，９０４から生成される信号状態９１２，９１３，９１４と合わせて４位相状態が生成され、計８つの信号状態の８相ＰＳＫ信号が生成される。

第４の実施の形態の変調方式では、図８および図９から把握されるように、マッハツェンダ変調器７０１での２相ＰＳＫ変調において、位相変化の軌跡が直線的にならず、強度変化に対して、０°または１３５°からずれた位相状態（信号状態）を生成する。この結果、変調器の駆動波形に含まれる歪に対して生成信号の位相品質が第１〜第３の実施形態の場合よりも劣化しやすい。しかし、光変調器は、３つのマッハツェンダ変調器３０４，３０５，７０１しか含まないので、歪みがない２値信号で変調されれば、シンボル間で強度のばらつきがない信号が生成されるという利点がある。

なお、第４の実施形態では、αパラメータが０．２５であるマッハツェンダ変調器７０１を用いて０°と１３５°の２相ＰＳＫ変調を得る場合を示したが、αパラメータが−０．２５であるマッハツェンダ変調器を用いても、０°と−１３５°の２相ＰＳＫ変調が得られ、同等の効果が得られる。

８相ＰＳＫ信号を生成する本発明による光変調器の基本構成を示すブロック図である。 光電界の複素平面表示を示す説明図である。 本発明による光変調器の第１の実施形態を示すブロック図である。 本発明による光変調器の第２の実施形態を示すブロック図である。 本発明による光変調器の第３の実施形態を示すブロック図である。 光電界の複素平面表示を示す説明図である。 本発明による光変調器の第４の実施形態を示すブロック図である。 光電界の複素平面表示を示す説明図である。 光電界の複素平面表示を示す説明図である。 背景技術による８相ＰＳＫ信号の生成方法を示す説明図である。 光電界の複素平面表示を示す説明図である。

符号の説明

１００ 入射端
１０５ 出射端
１０６ 第２の分岐部
１０７ 第１の光合波器
１０８ 第１の分岐部
１０９ 第２の光合波器
１１２ 第１のマッハツェンダ変調器
１１３ 第２のマッハツェンダ変調器
１１４ 第３のマッハツェンダ変調器
１１８ 第１の位相シフタ
１１９ 第２の位相シフタ
２０１，２０２，２０３，２０４ 信号状態（４相ＰＳＫ信号状態）
２１１，２１２ 信号状態（２相ＰＳＫ信号状態）
２２１，２２２，２２３，２２４，２２５，２２６，２２７，２２８ 光位相状態
３００ ニオブ酸リチウム基板
３０１ 入射ファイバ（入射端）
３０２ 第１のＹ分岐部回路
３０３ 第２のＹ分岐部回路
３０４ 第１のマッハツェンダ変調器
３０５ 第２のマッハツェンダ変調器
３０６ ＤＣバイアスポート
３０７ ＤＣバイアスポート
３０８ 位相シフタ（第１の位相シフタ）
３０９ 第１の合波回路
３１１ 第３のマッハツェンダ変調器
３１２ ＤＣバイアスポート
３１３ 位相シフタ（第２の位相シフタ）
３１５ 第２の合波回路
３１６ 出力ファイバ（出力端）
３５０，４００，５００，７００ エンコーダ
３５１１，３５１２，３５１３，３５１４，３５１５ 増幅器
４０１ 強度変調器
５０１ 第３のＹ分岐部回路
５０２ 第３のマッハツェンダ変調器
５０３ 第４のマッハツェンダ変調器
５０４ ＤＣバイアスポート
５０５ ＤＣバイアスポート
５０６ 位相シフタ
５０７ 第３の合波回路
５０８ 第３の位相シフタ
６０１〜６０４ 信号状態（４相ＰＳＫ信号状態）
６１１〜６１４ 信号状態（４相ＰＳＫ信号状態）
６２１，６２２，６２３，６２４，６２５，６２６，６２７，６２８ 光位相状態
７０１ マッハツェンダ変調器（チャープを生ずるマッハツェンダ変調器）
７０２ ＤＣバイアスポート
８００，８０１ 信号状態
９０１，９０２，９０３，９０４，９１１，９１２，９１３，９１４ 信号状態
１０１０ 入射端
１０１１ 第１の位相変調器
１０１２ 第２の位相変調器
１０１３ 位相シフタ
１０１４ 出射端
１０１５ 位相変調器
１１１１，１１１２ 位相変調（光信号状態）
１１１３，１１１４ 信号状態（位相状態）

Claims (8)

1. 入射した光を２つに分岐する第１の分岐部と、
   前記第１の分岐部で分岐された第１の光を２つに分岐する第２の分岐部と、
   前記第２の分岐部で分岐された第１の光を変調するための第１のマッハツェンダ変調器と、
   前記第２の分岐部で分岐された第２の光を変調するための第２のマッハツェンダ変調器と、
   前記第２のマッハツェンダ変調器に接続され光の位相をシフトする第１の位相シフタと、
   前記第１のマッハツェンダ変調器の出力光と前記第１の位相シフタの出力光とを合波して出力する第１の合波部と、
   前記第１の分岐部で分岐された第２の光を変調するための第３のマッハツェンダ変調器と、
   前記第３のマッハツェンダ変調器の出力光の位相をシフトする第２の位相シフタと、
   前記第１の合波部の出力光と前記第２の位相シフタの出力光とを合波して出力する第２の合波部とを備え、
   前記第１のマッハツェンダ変調器、前記第２のマッハツェンダ変調器および前記第３のマッハツェンダ変調器は２値信号で駆動され、
   前記第１の位相シフタには、前記第１のマッハツェンダ変調器の出力光と前記第２のマッハツェンダ変調器の出力光との位相差が、前記第１の合波部で（１８０×ｎ（ｎは整数）＋９０）度となる電圧が印加され、
   前記第２の位相シフタには、前記第１の合波部の出力光と前記第２の位相シフタの出力光との位相差が、前記第２の合波部で（９０×ｍ（ｍは整数）＋４５）度になるような電圧が印加されている
   ことを特徴とする光変調器。
2. 第２の合波部の出力に接続され光の強度を制御する強度変化手段と、
   前記強度変化手段の出力光の強度が一定になる方向に制御する強度制御手段とを備えた
   請求項１記載の光変調器。
3. 強度変化手段は、光強度変調器である
   請求項２記載の光変調器。
4. 光強度変調器は、２値の信号で駆動される
   請求項３記載の光変調器。
5. 強度変化手段は、電気信号によって増幅率を変更可能な光増幅器である
   請求項２記載の光変調器。
6. 光増幅器は、２値の電気信号で制御される
   請求項５記載の光変調器。
7. 入射した光を２つに分岐させる第１分岐処理と、
   前記第１分岐処理によって分岐された第１の光を２つに分岐させる第２分岐処理と、
   前記第２分岐処理によって分岐された第１の光を第１のマッハツェンダ変調器によって変調する第１変調処理と、
   前記第２分岐処理によって分岐された第２の光を第２のマッハツェンダ変調器によって変調する第２変調処理と、
   前記第２変調処理後の光の位相をシフトする第１移相処理と、
   前記第１変調処理による出力光と前記第１移相処理による出力光とを合波して出力する第１合波処理と、
   前記第１分岐処理によって分岐された第２の光を第３のマッハツェンダ変調器によって変調する第３変調処理と、
   前記第３変調処理後の光の位相をシフトする第２移相処理と、
   前記第１合波処理による出力光と前記第２移相処理による出力光とを合波して出力する第２合波処理とを実行し、
   前記第１のマッハツェンダ変調器、前記第２のマッハツェンダ変調器および前記第３のマッハツェンダ変調器を２値信号で駆動し、
   前記第１のマッハツェンダ変調器の出力光と前記第２のマッハツェンダ変調器の出力光との位相差を（１８０×ｎ（ｎは整数）＋９０）度にするための電圧を用いて前記第１移相処理を実行し、
   前記第１合波処理による出力光と前記第２移位相処理による出力光との位相差を（９０×ｍ（ｍは整数）＋４５）度にするための電圧を用いて前記第２移相処理を実行する
   ことを特徴とする光変調方法。
8. 第２合波処理後の光の強度が一定になる方向に制御する強度制御処理を実行する
   請求項７記載の光変調方法。

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