JP6674173B2

JP6674173B2 - 光信号発生方法及び光信号発生装置

Info

Publication number: JP6674173B2
Application number: JP2016033572A
Authority: JP
Inventors: 敦史菅野; 川西　哲也; 哲也川西
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2020-04-01
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: US20190094573A1; US10598964B2; CN108700760A; CN108700760B; WO2017146166A1; JP2017151267A

Description

本発明は，高消光比を有する光変調器において，簡易なバイアス電圧調整で，所望とする消光比を有する光信号品質を維持することができる，光信号発生方法及び光信号発生装置に関するものである。

ミリ波−テラヘルツ帯レーダは，その短波長・広帯域性により，小異物検知および高いレーダ分解能を実現できる。このため，ミリ波−テラヘルツ帯レーダは，社会インフラ内へ侵入する異物検知技術として有用である。しかしながら，ミリ波−テラヘルツ帯は，伝搬損失（波長の自乗に比例する自由空間伝搬損失，および，大気の水蒸気等による吸収）が大きい。このため，ミリ波−テラヘルツ帯レーダを単体で用いても，大面積にわたり異物を検知することは難しい。加えて，高精度に異物を検知するためには，高価・高精度な信号発生装置が必要なため，各レーダヘッドにミリ波−テラヘルツ帯レーダを具備することは，現実的ではない。

ファイバ無線（ＲｏＦ）技術により，中央に配した高精度信号源から発せられる信号を光信号へ重畳し，低損失な光ファイバネットワークを介して各レーダヘッドへ配信する方式が知られている。一般的に，高い信号対雑音（ＳＮ）比を実現するためには，高消光比（高いＳＮ比を有する）光変調器が必要である。高消光比変調器を用いることで，不要な側波帯を抑圧できることから高い光ＳＮ比を実現することができるため，高精度なミリ波−テラヘルツ信号発生には，高消光比光変調器が最適だと考えられてきた。

たとえば光2逓倍を有する光２トーン信号発生を実現する両側波帯・搬送波抑圧（ＤＳＢ−ＳＣ）変調では，マッハ・ツェンダ光変調器の伝達関数最小点にバイアス電圧を制御する。つまり，ＲＦ信号無印加時に光出力が最小となるように，バイアス電圧を制御する。また，たとえば光４逓倍時には，同様にRF信号無印加時に光出力が最大となるようにバイアス電圧を制御する（たとえば，特許第４８４９６２１号公報（下記特許文献１）を参照。）。

光変調器を用いた光２逓倍技術では，キャリア抑圧両側波帯変調方式を用いるため，バイアス電圧として最小点変調を行う必要があった。しかしながら，高消光比変調器では，その消光比が６０ｄＢ以上にも達するため，光最小点・最大点を示すバイアス制御許容範囲が非常に狭く，安く・汎用的なＡＤ変換器・制御ボードではその最小点・最大点へ制御することは困難であった。事実，バイアス可変可能電圧１２Ｖ程度に対して，０．１ｍＶ以下の制御を行っても最小点へ到達せずに最適点を探し続けることがある。また，制御アルゴリズムが最小点・最大点だと判断したポイントが，実際はデバイス不具合等からでてくる局所的な最小点・最大点であり，所望の制御点でないことも起こり得た。また，レーダ等で要求される高いＳＮ比を有する信号は，従来の消光比３０ｄＢ程度の光変調器では，光最小点・最大点で動作させることが必須であった。

光最小点・最大点（バイアスヌル点，バイアスフル点）の調整方法や，光変調器の特性の評価方法は，たとえば，特許第５０３５４１１号，特許第５１３７０４２号及び特許第５３５４５２８号に記載されている。

特許第４８４９６２１号公報特許第５０３５４１１号公報特許第５１３７０４２号公報特許第５３５４５２８号公報

本発明は，高消光比変調器の利用により，汎用的なＡＤ変換器・制御ボードを用いても，容易に要求される消光比を実現可能なバイアス電圧を制御できる方法や，その方法を実現する装置を提供することを目的とする。また，本発明は，局所的な最小点，又は最大点への局所ロックイン動作を回避する方法や，その方法を実現する装置を提供することを目的とする。

本発明は，高消光比を有する光変調器において，隣接する２つのバイアス電圧における出力強度を比較し最適化を行う簡易なバイアス制御を行っても，要求される消光比へ容易に到達できるという知見に基づく。

具体的に説明すると，制御電圧のステップ量（変異量）ΔＶを半波長電圧Ｖ_Π［Ｖ］の０．１倍以下とする。たとえば，最小点を探す場合，現バイアス電圧を基準として，ステップ電圧ΔＶだけ大きいバイアス，及びステップ電圧ΔＶだけ小さいバイアスを印加した際の，光強度を計測し，その小さい方へバイアス電圧を移動させる。そして，この移動させたバイア電圧を基準とし，両隣の電位にあるバイアス点における光強度を比較し，基準となるバイアス電圧を変化させることを繰り返す。その際，）ΔＶは，所定のアルゴリズムに従って，次第に小さくなるようにしてもよい。
局所的な最小点，又は最大点（極小点又は極大点）への局所ロックイン動作は，両隣ポイントのみの比較を行うことで常にバイアス電圧が移動することとなり，回避できる。

本発明は，高消光比変調器の利用により，汎用的なＡＤ変換器・制御ボードを用いても，容易に要求される消光比を実現するためのバイアス電圧を制御できる方法や，その方法を実現する装置を提供できる。また，本発明は，局所的な最小点，又は最大点への局所ロックイン動作を回避する方法や，その方法を実現する装置を提供できる。

図１は，本発明の光変調器を説明するためのブロック図である。図２は，本発明の光変調器に印加されるバイアス電圧の調整方法を説明するための概念図である。図３は，本発明の光変調器に印加されるバイアス電圧の調整方法を説明するための概念図である。

以下，図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は，以下に説明する形態に限定されるものではなく，以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜修正したものも含む。

本発明の光変調器に印加されるバイアス電圧の調整装置及びバイアス電圧調整部を有する光変調器について説明する。以下では，光出力が最小となる点（バイアス電圧のみが光変調器に印加されている場合に，光出力が理論的には０となる点であって，厳密な意味での最小ではなく，実質的に光出力が最小に近くなる点，以下単に「最小点ともいう）となるようにバイアス電圧を調整する方法について説明する。以下の説明では，光変調器の半波長電圧をＶ_Π［Ｖ］として説明する。光変調器の半波長電圧は，公知であり，その求め方も公知である。

図１は，本発明の光変調器を説明するためのブロック図である。図１に示されるように，この光変調器は，バイアス電圧調整部１１を有する光変調器１３である。このように本発明は，光変調器に用いられるバイアス電圧の調整装置をも提供する。この装置は，光変調器から出力される光信号を受け取って，その光出力の周波数ごとの光強度を測定するための光検出器１５を有するものが好ましい。また，バイアス電圧調整部１１は，光検出器１５からの電気信号を受け取って，光変調器に印加する電源１７から出力されるバイアス電圧を調整できるものが好ましい。

光変調器は，高消光比を有するものが好ましい。具体的な消光比の例は，４０ｄＢ以上であり，５０ｄＢ以上でもよく，６０ｄＢ以上でもよい。駆動電圧の例は，０．１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．９Ｖ_Π［Ｖ］以下である。位相調整用バイアス電圧の例は，相対誘導位相量が０．９５π以上１．０５π以下を発生させる電圧でありであり，通常は，この範囲で駆動電圧やバイアス電圧が光変調器に対して印加される。

光変調器の例は，マッハ・ツェンダ導波路を有するマッハ・ツェンダ光変調器である。マッハ・ツェンダ光変調器は，マッハ・ツェンダ導波路を１つ有するものであってもよい。また，光変調器は，たとえば，特許第５０３５４１１号，特許第５１３７０４２号及び特許第５３５４５２８号に記載されるように，第１のアーム及び第２のアームを有するメインマッハ・ツェンダ導波路を含み，第１のアームは第１のサブマッハ・ツェンダ導波路を有し，第２のアームは第２のサブマッハ・ツェンダ導波路を有するものであってもよい。

図２は，本発明の光変調器に印加されるバイアス電圧の調整方法を説明するための概念図である。現状のバイアス電圧を基準電圧（所定のバイアス電圧Ｖ_０）とする。バイアス電圧調整部１１は，記憶部からΔＶ_１に関する情報を読み出し，電源１７から出力されるバイアス電圧の電圧値を制御する。そして，バイアス電圧Ｖ_０からΔＶ_１（０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下）小さい第１の下側バイアス電圧Ｖ_１１を光変調器に印加する。光変調器は，バイアス電圧がＶ_０−ΔＶ_１［Ｖ］印加された状態で光を出力する。光検出器１５は，その状態の光信号を受信し，周波数ごとの光出力を測定する。光検出器１５は，測定した光信号の強度情報を電気信号に変換し，バイアス電圧調整部１１へ伝える。この際，バイアス電圧調整部１１は，測定された光強度を第１の光出力Ｉ_Ｖ１１として記憶する。

ΔＶ_１［Ｖ］は，Ｖ_Π［Ｖ］の大きさによっても変動するものであるが，たとえば，１ｍＶ以上１Ｖ以下でもよく，１０ｍＶ以上５００ｍＶ以下でもよく，２０ｍＶ以上３００ｍＶ以下でもよいし，５０ｍＶ以上２００ｍＶ以下でもよい。

次に，バイアス電圧調整部１１は，バイアス電圧Ｖ_０からΔＶ_１（０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下）大きい第１の上側バイアス電圧Ｖ_１２を光変調器に印加する。光変調器は，バイアス電圧がＶ_０＋ΔＶ_１［Ｖ］印加された状態で光を出力する。光検出器１５は，その状態の光信号を受信し，周波数ごとの光出力を測定する。光検出器１５は，測定した光信号の強度情報を電気信号に変換し，バイアス電圧調整部１１へ伝える。この際，バイアス電圧調整部１１は，測定された光強度を第２の光出力Ｉ_Ｖ１２として記憶する。

バイアス電圧調整部１１は，記憶部から第１の光出力Ｉ_Ｖ１１と第２の光出力Ｉ_Ｖ１２を読み出し，これらの値を比較する。そして，光最小点を求める場合は，第１の光出力Ｉ_Ｖ１１と第２の光出力Ｉ_Ｖ１２のうち小さい方の光出力を与えるバイアス電圧を基準電圧として採用する。この小さい方の光出力を与えるバイアス電圧が，最小値を与えるバイアスヌル点の候補となる。バイアス電圧調整部１１は，電源１７からの出力電圧を調整し，光変調器１３に印加されるバイアス電圧として，上記の光最小点の候補とされた電圧を新たな基準電圧として印加すればよい。

上記のようなバイアス電圧の調整を所定時間ごとに行えばよい。

図３は，本発明の光変調器に印加されるバイアス電圧の調整方法を説明するための概念図である。さらに，上記のようにして求められた新たな基準電圧を第２の所定のバイアス電圧Ｖ_０２とし，バイアス電圧Ｖ_０２から，ΔＶ２［Ｖ］（０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下）小さい下側バイアス電圧Ｖ２１を光変調器に印加した時の光出力と，バイアス電圧Ｖ_０２から，Δ_Ｖ２［Ｖ］大きいバイアス電圧Ｖ２２を光変調器に印加した時の光出力とを比較し，小さい光出力を与えるバイアス電圧を新たな基準電圧（光最小点の候補）とする。このように新たな基準電圧に対して，所定電圧分大きいバイアス電圧と小さいバイアス電圧を印加した際の光出力を比較し，小さい値を与えるバイアス電圧を基準電圧（バイアスヌル点の候補）とする工程を繰り返してもよい。ΔＶ_１［Ｖ］とΔＶ_２［Ｖ］は同じであってもよいし，変化させてもよい。

光出力が最大となる点（光最大点）を探す場合は，２つの光出力のうち強度が大きい方を与えるバイアス電圧を基準電圧として採用すればよい。

次に，最小点を求める上記とは別の方法について説明する。
この方法は，光変調器の目標とする光強度をＩ_Ｔ［Ｖ］とする。バイアス電圧調整部１１は，記憶部に，Ｉ_Ｔ［Ｖ］に関する情報を記憶しておき，適宜読み出せるようにされていればよい。

現状のバイアス電圧を基準電圧（所定のバイアス電圧Ｖ_０）とする。先に説明した方法で，バイアス電圧調整部１１は，第１の光出力Ｉ_Ｖ１１を記憶する。バイアス電圧調整部１１は，Ｉ_Ｔ［Ｖ］に関する情報を読み出し，目標とする光強度Ｉ_Ｔと，第１の光出力Ｉ_Ｖ１１との差である第１の光強度差Ｖ_Ｄ１を求め，記憶部に記憶する。

次に，先に説明した方法で，バイアス電圧調整部１１は，第２の光出力Ｉ_Ｖ１２を記憶する。バイアス電圧調整部１１は，Ｉ_Ｔ［Ｖ］に関する情報を読み出し，目標とする光強度Ｉ_Ｔと，第２の光出力Ｉ_Ｖ１２との差である第２の光強度差Ｖ_Ｄ２を求め，記憶部に記憶する。

バイアス電圧調整部１１は，第１の光強度差Ｖ_Ｄ１と第２の光強度差Ｖ_Ｄ２を読み出して，第１の光強度差Ｖ_Ｄ１と第２の光強度差Ｖ_Ｄ２のうち小さい方の光出力を与えるバイアス電圧を新たな基準電圧（所望消光比実現点の候補）として採用する。

このように新たな基準電圧に対して，所定電圧分大きいバイアス電圧と小さいバイアス電圧を印加した際の光強度差を比較し，小さい値を与えるバイアス電圧を基準電圧（所望消光比実現点の候補）とする工程を繰り返す。

バイアス電圧調整部に，以下の制御プログラムを実装した。このプログラムは，記憶部からΔＶ_１に関する情報を読み出し，電源が第１の下側バイアス電圧Ｖ_１１（Ｖ_０−ΔＶ_１［Ｖ］）を光変調器に印加するように電源に制御指令を出し，光検出器から第１の光出力Ｉ_Ｖ１１に関する情報を受け取って記憶し，
電源が第１の上側バイアス電圧Ｖ_１２（Ｖ_０+ΔＶ_１［Ｖ］）を光変調器に印加するように電源に制御指令を出し，光検出器から第２の光出力Ｉ_Ｖ１２に関する情報を受け取って記憶し，
記憶部から第１の光出力Ｉ_Ｖ１１と第２の光出力Ｉ_Ｖ１２を読み出し，これらの値を比較し，
第１の光出力Ｉ_Ｖ１１と第２の光出力Ｉ_Ｖ１２のうち小さい方の光出力を与えるバイアス電圧を新たな基準電圧として記憶し，
電源が新たな基準電圧を光変調器のバイアス電圧として印加するように電源に制御指令を出すように機能させるプログラムである。
光変調器として，消光比が５０ｄＢの物を用いた。光変調器の半波長電圧Ｖ_Π［Ｖ］は，１２Ｖであり，駆動電圧は０．５Ｖ_Π［Ｖ］とした。抑圧比３０ｄＢ以上を与える位相用バイアス電圧の許容範囲として１１．４〜１２．６Ｖであった。この際，ΔＶとして１００ｍＶを採用した。従来方法であれば，バイアス電圧調整のため０．１ｍＶ程度ごとに光強度を測定する必要があったが，１００ｍＶという粗い調整であったにもかかわらず，３０ｄＢ以上の抑圧比を常に維持することができた。

バイアス電圧調整部に，以下の制御プログラムを実装した。このプログラムは，記憶部からΔＶ_１に関する情報を読み出し，電源が第１の下側バイアス電圧Ｖ_１１（Ｖ_０−ΔＶ_１［Ｖ］）を光変調器に印加するように電源に制御指令を出し，光検出器から第１の光出力Ｉ_Ｖ１１に関する情報を受け取って記憶し，
電源が第１の上側バイアス電圧Ｖ_１２（Ｖ_０+ΔＶ_１［Ｖ］）を光変調器に印加するように電源に制御指令を出し，光検出器から第２の光出力Ｉ_Ｖ１２に関する情報を受け取って記憶し，
記憶部からＩＴ［Ｖ］に関する情報，第１の光出力Ｉ_Ｖ１１及び第２の光出力Ｉ_Ｖ１２を読み出し，
目標とする光強度ＩＴと，第１の光出力Ｉ_Ｖ１１との差である第１の光強度差Ｖ_Ｄ１を求め，
目標とする光強度ＩＴと，第２の光出力Ｉ_Ｖ１２との差である第２の光強度差Ｖ_Ｄ２を求め，
第１の光強度差Ｖ_Ｄ１と第２の光強度差Ｖ_Ｄ２のうち小さい方の光出力を与えるバイアス電圧を新たな基準電圧として記憶し，
電源が新たな基準電圧を光変調器のバイアス電圧として印加するように電源に制御指令を出すように機能させるプログラムである。
実施例１と同様の駆動電圧及びバイアス電圧で光変調器を調整したところ，１００ｍＶという粗い調整であったにもかかわらず，３０ｄＢ以上の抑圧比を常に維持することができた。

本発明は，光情報通信の分野で利用されうる。

１１バイアス電圧調整部
１３光変調器

Claims

光変調器に印加されるバイアス電圧の調整方法であって，
前記光変調器の半波長電圧をＶ_Π［Ｖ］としたときに，
所定のバイアス電圧Ｖ_０から，０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下小さい第１の下側バイアス電圧Ｖ_１１を前記光変調器に印加した時の第１の光出力Ｉ_Ｖ１１と，
前記所定のバイアス電圧Ｖ_０から０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下大きい第２の上側バイアス電圧Ｖ_１２を前記光変調器に印加した時の第２の光出力Ｉ_Ｖ１２とを比較する工程と，
第１の光出力Ｉ_Ｖ１１と第２の光出力Ｉ_Ｖ１２のうち小さい方の光出力を与えるバイアス電圧を基準電圧として採用する工程と，
を含む，方法。
請求項１に記載の方法であって，
前記基準電圧を第２の所定のバイアス電圧Ｖ_０２とし，バイアス電圧Ｖ_０２から，０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下小さい下側バイアス電圧Ｖ_２１を前記光変調器に印加した時の光出力と，バイアス電圧Ｖ_０２から，０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下大きいバイアス電圧Ｖ_２２を前記光変調器に印加した時の光出力とを比較し，小さい光出力を与えるバイアス電圧を新たな基準電圧とする工程を繰り返す，
方法。
光変調器に印加されるバイアス電圧の調整方法であって，
前記光変調器の半波長電圧をＶ_Π［Ｖ］とし，前記光変調器の目標とする光強度をＩ_Ｔとしたときに，
前記目標とする光強度をＩ_Ｔと，所定のバイアス電圧Ｖ_０から，０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下小さい第１の下側バイアス電圧Ｖ_１１を前記光変調器に印加した時の第１の光出力Ｉ_Ｖ１１との差である第１の光強度差Ｖ_Ｄ１を求める工程と，
前記目標とする光強度をＩ_Ｔと，前記所定のバイアス電圧Ｖ_０から０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下大きい第２の上側バイアス電圧Ｖ_１２を前記光変調器に印加した時の第２の光出力Ｉ_Ｖ１２との差である第２の光強度差Ｖ_Ｄ２を求める工程と，
第１の光強度差Ｖ_Ｄ１と第２の光強度差Ｖ_Ｄ２のうち小さい方の光出力を与えるバイアス電圧を基準電圧として採用する工程と，
を含む，方法。
バイアス電圧調整部（１１）を有する光変調器（１３）であって，
前記バイアス電圧調整部（１１）は，
前記光変調器（１３）の半波長電圧をＶ_Π［Ｖ］としたときに，
所定のバイアス電圧Ｖ_０から，０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下小さい第１の下側バイアス電圧Ｖ_１１を前記光変調器に印加した時の第１の光出力Ｉ_Ｖ１１と，
前記所定のバイアス電圧Ｖ_０から０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下大きい第２の上側バイアス電圧Ｖ_１２を前記光変調器に印加した時の第２の光出力Ｉ_Ｖ１２とを比較し，
第１の光出力Ｉ_Ｖ１１と第２の光出力Ｉ_Ｖ１２のうち小さい方の光出力を与えるバイアス電圧を基準電圧として採用する，
光変調器。
バイアス電圧調整部を有する光変調器であって，
前記バイアス電圧調整部は，
前記光変調器の半波長電圧をＶ_Π［Ｖ］とし，前記光変調器の目標とする光強度をＩ_Ｔとしたときに，
前記目標とする光強度をＩ_Ｔと，所定のバイアス電圧Ｖ_０から，０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下小さい第１の下側バイアス電圧Ｖ_１１を前記光変調器に印加した時の第１の光出力Ｉ_Ｖ１１との差である第１の光強度差Ｖ_Ｄ１を求め，
前記目標とする光強度をＩ_Ｔと，前記所定のバイアス電圧Ｖ_０から０．００１Ｖ_Π［Ｖ］以上０．１Ｖ_Π［Ｖ］以下大きい第２の上側バイアス電圧Ｖ_１２を前記光変調器に印加した時の第２の光出力Ｉ_Ｖ１２との差である第２の光強度差Ｖ_Ｄ２を求め，
第１の光強度差Ｖ_Ｄ１と第２の光強度差Ｖ_Ｄ２のうち小さい方の光出力を与えるバイアス電圧を基準電圧として採用する，
光変調器。