JP2010507131A - マルチレベルの信号出力を使用した光変調器 - Google Patents

Abstract

１のアームに沿って配置された複数の別々の電極を有する光変調器を形成し、電極が異なる長さを有して異なる信号で駆動され複数レベルの信号出力を与える（例えば、ＰＡＭ−４信号出力）。別々のドライバ回路を使用して異なるセクションに電圧を印加することによって、所定の点において時間内に電圧が印加されるセクションの数が、光信号に導入される正味の位相シフトを規定する。変調器のセクションを組み合わせたトータルの長さは、πの位相シフト（１８０°）に関連する。デジタルの「１」又は「０」によって、マルチレベルの変調を形成するように、各セクションが駆動される。隣り合う送信符号間の基本的に等しい出力変化が、各個別のセクションの長さを適切に調整することによって達成される。
【選択図】図３

Description

本出願は、２００６年１０月１９日に出願された米国出願第６０／８５２，７５７号の利益を主張する。

本発明は光変調器に関し、特に、一度に複数のデータビットを送信してシリアルの符号速度を減らすように、異なる長さの複数のセクションを有する光変調器に関する。

光送信システムは一般に、光信号の変調の２つの方法、すなわち直接変調又は外部変調のうちの一方に基づいている。これらの実施例のうちの第１の方法では、ＤＣ電流がレーザに適用され、それに重ね合わせられた電流がレーザを「オン」及び「オフ」させる。このような方法の欠点は、高い切り替え速さを要する場合に、レーザの半導体材料の動的な挙動が、主としてチャープ状の歪みを導入することである。光信号の外部変調は、チャープを顕著に減らした変調された光出力信号を生成し、外部変調が高速の適用例に関して好適となっている。特に、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）といった電気光学変調器が、高速の適用例で一般的に使用される。

長年にわたって、外部変調は、ニオブ酸リチウムといった電気光学材料で作製されている。光導波路が電気光学材料の中に形成され、金属の接触領域が各導波路アームの表面に設けられる。金属の接触部に電圧を印加することで、接触部の下側の導波路領域の屈折率を変化させ、これにより、導波路に沿った伝播速度を変える。２つのアーム間にπの位相シフトを形成する電圧を印加することによって、非線形（デジタル）のマッハ−ツェンダー変調器を形成する。特に、光信号が導波路の中に放射され、Ｉ／Ｏ電気デジタル信号が（上記のような適切な電圧レベルを用いて）接触部に加えられる。そして、光出力が「変調され」、Ｉ／Ｏ出力信号を形成する。線形（アナログ）光出力信号で同じような結果が可能である。

このようなタイプの外部変調は、非常に有用であることが分かっているが、シリコンベースの台座上に様々な光学部品、サブシステム及びシステムを形成する必要性が増加している。さらに、同じシリコン基板上に光学部品を具えたこのようなシステム（例えば、電気光学変調器用の入力データ電気ドライバ回路）に関する様々な電子部品を組み込むのが望ましい。明らかに、このような状況におけるニオブ酸リチウムベースの光デバイスの使用は、選択肢にない。他の様々な従来の電気光学デバイスは、同様にシリコンの台座に直接適合しない（ＩＩＩ−Ｖ化合物といった）材料である。

自由キャリア変調に基づいて、シリコンの台座の中に上記のような変調器といった光デバイスを形成する性能において近年の進歩がなされている。このような構成では、変調器アームを形成する位相シフトの構成部材が、シリコン導波路に沿って形成されたＭＯＳコンデンサの形式を取る。印加電圧が、コンデンサのゲート誘電体の近くの電荷の集積を誘起し、これにより導波路の屈折率の特徴を変え、導波路を通過する光の光位相を最終的に変える。例えば、いずれも本出願の出願人に特許された米国特許第６，８４５，１９８号及び第７，０６５，３０１号を参照されたい。
米国特許第６，８４５，１９８号 米国特許第７，０６５，３０１号

シリアルデータを統合し統合したデータを１つのファイバで高速で送信する必要性が増加している。統合により情報を搬送するのに要するファイバの数が減り、さらにはコストがかかるマルチプレクサ／デマルチプレクサといったさらなる構成部品の必要性を減らす（さらには、なくす）。しかしながら、このような統合は、ファイバを通して送信されるデータ転送速度の増加をもたらす。典型的な配置では、各ファイバが１０Ｇｂ／ｓの速度でデータを送信する、４つの別々のファイバのセットを使用する。代替的に、４つの全てのファイバからのデータが１つのファイバに多重化することが可能であるため、４０Ｇｂ／ｓでデータを送信する。分散効果に関するファイバの固有の帯域幅限界は、光信号がこの速度で伝播する距離を制限する。

光変調器、特に、一度に複数のデータビットを送信してシリアル符号レートを減らすように、異なる長さの複数のセクションを有する光変調器に関する本発明によって、当技術分野にある必要性を扱う。

本発明によれば、典型的な光変調器のアームが、多くのセクションに区切られており、これらのセクションが異なる長さとなっている。別々のドライバ回路を使用して異なるセクションに電圧を印加し、時間内で所定の場所で印加されるセクションの数が、光信号に導入される位相シフトを規定する。変調器のセクションを組み合わせたトータルの長さは、πの位相シフト（１８０°）に関する。各セクションは、マルチレベルの変調を形成するように、デジタルの「１」又は「０」のいずれかによって駆動される。

本発明の一態様では、出力式が位相のコサイン関数の場合に、隣り合う送信符号間の出力の基本的に等しい変化が、各個別のセクションの長さを適切に調整することによって実現される。すなわち、基本的に等しい出力値を維持するために、コサイン曲線の急な部分に近いセクションの長さを、曲線のより平らな部分に沿ったセクションの長さよりも短くする必要がある。

本発明にしたがって形成された区分化した変調器を、一方のアームのみ（シングルエンド方式）又は双方のアーム（差分方式）で駆動するように構成してもよい。

都合のよいことに、マルチレベルの信号出力を実行するための異なる長さの複数の電極の使用が、複数の電極への様々な入力信号の適用に関する論理を減らすものとみなされている。送信される符号速度が、元のデータを送信する速さの２倍の速さであるとみなされている。

本発明に係る他の及びさらなる態様及び実施例が、以下の説明の過程において及び添付図面を参照して明らかとなろう。

ここで、図面を参照する。

図１は、基本的な従来技術のマッハツェンダー干渉計型の変調器を示す。 図２は、典型的な変調器の出力のプロットである。 図３は、本発明にしたがって形成されマルチレベルの信号出力を与える典型的な区分式の変調器を示す。 図４は、特に別々のデータソースからデータを送信するよう構成された図３の実施例の一配列を示す。 図５は、本発明にしたがって形成された区分式変調器の一般的な構成であり、特に各送信レベルで本質的に等しい出力値を与えるよう使用される異なるセクション長さを示す。

図１は、下記のように本発明によってマルチレベルのデータ送信を与えるよう再構成される、典型的な従来のマッハツェンダー型変調器を示す。図示するように、従来技術の変調器は、入力側導波路セクション１及び出力側導波路セクション２を具えている。１対の導波路変調アーム３及び４が示されており、一実施例（すなわち、ＳＯＩベースの実施例）ではコンデンサ状の構造を有するよう形成される。

動作時に、レーザ源（図示せず）から入ってくる連続波（ＣＷ）光信号が、入力導波路セクション１の中に結合される。その後ＣＷ信号は、１対の導波路アーム３及び４に分かれる。このような変調器アーム（又は複数のアーム）に電気ドライバ信号を加えることで、光信号を変調するための所望の位相シフトを与え、出力導波路２に沿った変調光出力信号を形成する。変調器アーム４に関する１対の電極５が図示されており、アーム４に電気ドライバ回路信号を与えるよう使用する。同じような電極対をアーム３に設けて、アーム３に伝播する光信号に対する遅延を同じように導入してもよい。デジタルドメインで動作する場合、論理「１」の送信を望む場合に電極を「オン」にし、論理「０」の送信を望む場合に電極を「オフ」にする。

一次的には、上述する従来の変調器の出力電力は、以下の式によって表される：

ここで、Ｐ_ｏｕｔは変調器からの出力電力で、Ｐ_０は公称出力で、φは２つのアーム（例えば、図１の従来技術のアーム３及び４）間の正味の位相シフトである。結果として、光の出力レベルが、２つのアーム間の正味の位相シフトφの値を変えることによって、制御される。図２は、このような関係のプロットであり、２つのアーム間の位相シフトの関数として出力を示す（「１」の出力が最大出力Ｐ_ｏｕｔに関し、「０」の出力が最小出力Ｐ_ｏｕｔに関する）。すなわち、変調器の２つのアーム間の位相シフトの差が、建設的干渉（例えば「１」）又は相殺的干渉（例えば「０」）のいずれかを与える。図示又は記載されていないが、実施に際して、このような変調器がＤＣセクションを用いてアームを光学的にバランスさせ、図２の示す伝達曲線に沿った所望の位置に動作点を設定してもよい。

本発明によれば、少なくとも１の変調器アームを、トータルの長さがπの位相シフトに等しい異なる長さの複数のセクションに分けることによって、マルチレベルの信号が出力される。各分離セクションは、デジタル論理「１」又はデジタル論理「０」で駆動し、すなわち、「オン」又は「オフ」のいずれかに駆動して、マルチレベルの変調を生成する。

各変調セクションを公称長さに関して最適化し、変調器アームに沿ったセクションの位置（すなわち、コサインベースの出力曲線に対する変調器の「位置」）に拘わらず絶対値でほぼ等しい出力レベルを与え得ることが、本発明の重要な態様である。再び図２を参照すると、コサイン曲線の山及び谷で動作させるのに長い変調セクションが必要であり、伝達曲線の「急な」中央部に関するセクションと同じ出力の変化を与える。

図３は、本発明に従ってマルチレベルの信号を出力するよう形成された典型的な光変調器１０を示す。図１の従来技術の変調器と同じように、変調器１０が、後で１対の導波路３及び４を形成するよう分かれる入力導波路セクション１を具えている。アーム３及び４に沿った出力光信号は、出力側導波路セクション２に向けて最終的に再結合する。本発明のこのような実施例によれば、異なる長さの複数の別々の変調セクションがアーム３に沿って配置されており、各セクションが異なる入力デジタル信号によって制御され、マルチレベルの信号を生成する。図３を参照すると、所定の長さＬ_１の第１のセクション１２、長さＬ_２の第２のセクション１４及び長さＬ_１の第３のセクション１６（すなわち、第３のセクション１６は第１のセクション１２と基本的に同一の長さを有するよう形成されている）を含む第１のアーム３を示す。トータルの長さである（２Ｌ_１＋Ｌ_２）は、トータルでπの位相シフトを与えるよう決定される。差分変調を使用する場合には、変調セクションの同じようなセットをアーム４に沿って形成し、アーム３に沿ったセクションと合わせて電圧を加えてもよい。

本発明のこのような特定の構成により、パルス振幅変調（すなわち、ＰＡＭ−４）信号を送信し得る。上述のように且つ図２に示すように、トータルの出力がアーム３及び４間の正味の位相シフトφに依存しており、位相シフトφは駆動される変調器のトータルの長さに依存している。図３の特定の実施例では、３つの別々のセクションを制御することによって、以下の表１に示すように、４つの異なる論理値のセットを得ることができる。

このように、３つのセクションのいずれもが駆動していない場合、このような事象は送信される論理「００」の事象に関する。第１のセクション１２が「オン」であって、残りのセクション１４及び１６が「オフ」のままである場合、これは論理「０１」の送信に関する。第１及び第２のセクション１２及び１４の双方を「オン」にすると、論理「１０」の送信に関する。３つのセクション全てに電圧を印加すると、論理「１１」の送信に関する。

このため、本発明のこのような実施例によれば、３つのセグメントをオン／オフ制御することによって、２つの別々のデータビットが各データ周期で送信され、双方のデータビットの送信が可能となる。２つのデータビットを１周期当たりに送信する能力により、同じ量の情報を送信するのに必要な送信速度を直接的に半減させる。

セクション１２及び１６は同じ長さであるため、セクション１２の代わりにセクション１６に電圧を印加して同じ正味の位相シフトを生成することが可能である。その結果、表１の代わりに表２の信号送信スキームを使用し得る。

このような信号送信配列は、出入りするデータストリームもまたＤＣバランスされる場合（すなわち、データストリームの中で１及び０の本質的に均等な分布）、ＤＣバランスしたコードで駆動することが可能となる。表２に示すように、セクション１２及び１４は、「００」及び「０１」のデータの送信に関しては「オフ」であり、「１０」及び「１１」のデータの送信に関しては「オン」である。このため、表２のコードスキームを使用した配列を実行するのに要する論理は最小限となり、最高のデータ転送速度でデータ送信するのに４分の１及び２分の１の転送速度で動作する。すなわち、４０Ｇｂ／ｓの速度でデータを送信するために、表２に関する論理は１０Ｇｂ／ｓ及び２０Ｇｂ／ｓの動作しか要しない。

代替的に、「０１」出力を生成するのに要する入力を表１に示すように維持し、「１０」の送信に関する入力を表３に示すような方式に変えることで、別のＤＣバランスされた構成を提供する。

上記のように、１つの変調アームに沿った複数のセクションの使用して本発明に係るマルチレベルの信号送信を与えることで、（例えば、１つの光ファイバを通して）１つの通信チャンネルを通して２以上のデータストリームを同時に送信することが可能となる。以下の表４は、図３に示すような本発明の配置を使用してデータの４つの別々の「レーン」を１つのチャンネルを通して同時に送信することを示す。

４つのレーン（入力データソース）は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで表されており、この４つに関するデータ値の可能な全ての組み合わせを示す。そして、表４はアーム３に沿ったセクション１２，１４及び１６の様々な組み合わせの駆動状態を示す。表４のコードスキームを利用することで、トラフィックの４つの「レーン」のＰＡＭ−４変調を、本発明の区分式変調器の別々のセクションに関するこれらの駆動状態を用いて送信できる。有利なことに、１つのファイバを通してこのようなデータを送信する能力により、送信の半減が可能となる（本実施例では、４０Ｇｂ／ｓから２０Ｇｂ／ｓに減少する）。

各セクションへの入力に関するさらなる節減を、表２の論理スキームを用いて得ることが可能である。また、同じような符号化スキームを表３を用いて実施可能である。このケースでは、データの特定のデジタル値を追跡する様々なセクションへの入力は、以下の表５に示されるようになっている。

表５の値を使用して、図４は本発明に従って形成された典型的な区分式変調器１００を示しており、４つの別々のデータソース（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を様々なデータソースのちょうど２倍の速さで１つの変調器出力として送信し得る。すなわち、各ソースＡ，Ｂ，Ｃ及びＤが１０Ｇｂ／ｓの送信データである場合、４つのソース全てからのデータを、２０Ｇｂ／ｓで本発明に係る区分式のマルチレベルの配列を用いて送信できる。表５に示され図４に示すコードスキームを用いて、共通のドライバ回路を用いて２つのセクションを駆動して、電子機器の実行を簡素化してもよい。このため、２０Ｇｂ／ｓでこのようなデータを送信する能力は、チャンネル分散の問題が４０Ｇｂ／ｓ付近の速さで問題となる場合に、４０Ｇｂ／ｓの出力データ信号を形成するための４つのストリームの直接的な多重化に関する様々な送信上の問題を取り除く。

各セクションの物理的な長さを、各送信記号間のΔＰで示される本質的に同じ出力変化を与えるよう特別に構成し得ることが、本発明の重要な態様である。このため、上述のように、本質的に等しい出力分布を維持するために、コサインカーブのより小さな変化率を有する部分に沿ったセクションはもっと長くなる必要があり、カーブの「より急な」部分に沿ったセクションは短くなる必要がある。

特に、セクションの長さは、図５に示す方法で作成され、図５は本発明に従って形成された各変調器アーム３及び４に沿って形成された複数のＮ個のセクションを有する変調器の全体構造を示す。図５を参照すると、複数のＮ個のセクション４０_１−４０_Ｎを含む変調器アーム３を示しており、このセットの両端に配置された変調器のセクション４０_１及び４０_ＮがＬ_ｚで示すように最長の長さであるよう形成されている。これに対し、４０_ｉで示す最も中央の部分が、最短の長さ（Ｌ_ａで示す）であるよう形成されている。残りのセクションが（もしあれば）、中央部４０_ｉから外側の方向に移る場合に、増加する長さを呈するよう形成される。

同様な方法において、異なる信号送信配列で使用される場合に上記の変調器アーム３と同じように形成及び構成された複数の変調器セクション４２_１−４２_Ｎを具えるよう変調器４を形成してもよい。多くのセクションへの拡張により、（他のタイプのマルチレベルの信号送信とともに）ＰＡＭ−ｎベースのデータを実行できる。

Claims (8)

1. マルチレベルのデータ信号の出力を生成するための光変調器であって、当該変調器が、
   連続波（ＣＷ）光入力信号を受信するための入力導波路セクションと、
   前記入力導波路セクションの出力側に結合され、前記ＣＷ光入力信号を１対のＣＷ光入力信号に分配するための入力光分配部と、
   前記入力光分配部の出力側に結合され、前記光信号の伝播を補助するための１対の変調アームを形成する１対の光導波路であって、少なくとも一方の変調アームが複数のＮ個の変調セクションに区切られており、前記複数のＮ個の変調セクションを組み合わせた長さが、それに沿って伝播する前記連続波光入力信号に完全なπの位相シフトを与えるのに相当するように、各セクションが所定の長さである１対の光導波路と、
   Ｎ個の複数のドライバ回路であって、各ドライバ回路が前記Ｎ個の複数の変調セクションのうちの別々の１の変調セクションに結合され、前記Ｎ個の複数のドライバ回路へのデジタル入力の組み合わせが前記変調器によって出力されるマルチレベルの出力データ信号にしたがって決定され、各変調セクションの「オン」又は「オフ」状態が前記入力及び出力信号間の前記位相シフトに寄与するドライバ回路と、
   変調した１対の光信号を１の変調した光出力信号に結合するための出力光結合部と、
   前記出力光結合部の出力側に結合され、前記変調した光出力信号の伝播を補助するための出力導波路セクションと、
   を具えることを特徴とする光変調器。
2. 各変調セクションの前記所定の長さが、各出力信号レベルに関して基本的に等しい出力値を出力するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. ＰＡＭ−４のマルチレベルの信号の出力を与えるよう構成され、前記Ｎ個の複数の変調セクションが：長さＬ_１の第１のセクションと、長さＬ_２の第２のセクションと、長さＬ_１の第３のセクションと、からなる３つのセクションを具えており、（２Ｌ_１＋Ｌ_２）から成る組み合わせが、前記変調器の入力側から出力側にπの位相シフトを与えることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
4. 前記第２及び第３の変調セクションに関するデジタルの前記ドライバ回路が同じ入力信号を受信すべく連結されるように、ＤＣバランスした符号化スキームを使用することを特徴とする請求項３に記載の光変調器。
5. 前記第１及び第２の変調セクションに関するデジタルの前記ドライバ回路が同じ入力信号を受信すべく連結されるように、ＤＣバランスした符号化スキームを使用することを特徴とする請求項３に記載の光変調器。
6. １の変調アームが、異なる長さの複数のセクションを含めるよう形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
7. 前記変調器が差動入力信号を使用しており、双方の変調アームが異なる長さの複数のセクションを含めるよう形成されており、各アームの前記セクションが場所及び長さに関して一致していることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
8. 前記変調器がＳＯＩベースの変調器を具えていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。

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