JP2011529647A - 光信号変調方式 - Google Patents

Abstract

縦続接続したＩ−Ｑ変調器（２２、３８）を備える２^ｎＱＡＭ（例えば、１６値ＱＡＭ）光変調器１０が記述される。第１のＩ−Ｑ変調器２２は、光信号に２^ｎ−２（例えば、４）ＱＡＭを施し、第１象限に位置する２^ｎ−２個のコンステレーション点を持つコンステレーションダイアグラムを得る。第２のＩ−Ｑ変調器（３８）は、引き続いて４相位相偏移変調（ＱＰＳＫ：ｑｕａｒｔｅｒｎａｒｙ ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）変調方式を光信号に適用し、それにより２^ｎ−２ＱＡＭ変調方式のコンステレーション点を第II、第III象限、第IV象限に回転させ、２^ｎＱＡＭ変調コンステレーションダイアグラムを生成する。回転によって、２^ｎＱＡＭ変調器は光信号に４象限差動符号化を本質的に施すことができるようになる。２^ｎＱＡＭ光変調の方法および、この２^ｎＱＡＭ光変調器を備えた光信号送信装置もまた提供される。

Description

本発明は、２^ｎ直交位相振幅変調（ＱＡＭ：ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）光変調器、２^ｎ直交位相振幅変調の方法、およびこの２^ｎＱＡＭ光変調器を備える光信号送信装置に関する。

１６値を持つ直交位相振幅変調（１６値ＱＡＭ）は、光ファイバの中での１００ギガビット／秒（Ｇｂｉｔ／ｓ）の伝送に対する候補となる変調フォーマットの内の１つである。この方式は、送信信号の同相成分および直交成分の双方で４つの異なる振幅値を使用して、合計で１６点のコンステレーションの上で４ビットを符号化する方式である。１００Ｇｂｉｔ／ｓの伝送に対して偏波ダイバーシティによる１６値ＱＡＭフォーマットを考えるとすれば、送信機に対して要求されるシンボルレートは、１２．５ギガボー（Ｇｂａｕｄ）になる。このような低いシンボルレートでさえも、多値の駆動信号の生成は複雑なものになる可能性がある。更なる複雑さは、ＱＡＭコンステレーションのπ／２の位相曖昧性（ｐｈａｓｅ ａｍｂｉｇｕｉｔｙ）を解消するために、光変調の前に光信号に対して差分ディジタル符号化を施す必要性から生ずる。この場合、差分ディジタル符号化を施さなければ、受信機において搬送波位相を推定するときにこの位相曖昧性が生ずるであろう。

Ｋ．−Ｐ．Ｈｏ ａｎｄ Ｈ．−Ｗ．Ｃｕｅｉ，"Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｕｓｉｎｇ ｏｎｅ ｄｕａｌ−ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，"Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．２３，ｎｏ．２，ｐｐ．７６４−７７０，Ｆｅｂ．２００５ Ｍ．Ｓｅｉｍｅｔｚ，"Ｍｕｌｔｉ−ｆｏｒｍａｔ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ Ｍ−ＰＳＫ ａｎｄ Ｍ−ＱＡＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，"Ｐｒｏｃ．ＩＣ ＴＯＮ'０５，２００５，ｐｐ．２２５−２２９， Ｔｈ．Ｂ１．５ Ｊ．Ｍ．Ｋａｈｎ ａｎｄ Ｅ．Ｉｐ，"Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ３− ａｎｄ ４−ｂｉｔ−ｐｅｒ−ｓｙｍｂｏｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．ｖｏｌ．２３，ｎｏ．１２，ｐｐ．４１１０−４１１４，Ｄｅｃ．２００５

４つの１６値ＱＡＭ送信機／変調器方式が公知であり、これらは以下の通りである。第１の方式は、従来の同相／直交位相（Ｉ−Ｑ）変調器を備え、この変調器では、同相成分および直交成分のそれぞれが、４値の駆動電圧を使用して得られる４値信号である。光方式の簡単さにも拘わらず、４値の駆動電圧の生成に対する要求条件によって、この送信機は１００Ｇｂｉｔ／ｓシステムの実施形態としてはあまり魅力的ではなくなる。

第２の方式は、単一のデュアル駆動マッハツェンダ変調器（ＭＺＭ）を備える。これは非特許文献１で報告されている。２つのＭＺＭに対する駆動電圧を適切に選択することにより、この出力信号は、複素平面上の任意の値に対応した信号となる。この方式は光素子構成が最も簡単であるという特徴がある。しかしながら、１６値ＱＡＭコンステレーションの生成には、１６値までの信号を使用した非常に複雑な駆動電圧方式が必要となる。

第３の１６値ＱＡＭ送信機構成は、位相および振幅Ｉ−Ｑ変調器を備え、２値の駆動電圧だけを必要とする。これは非特許文献２で報告されている。基本的な構成は、従来のＩ−Ｑ変調器と同様であるが、各ブランチもまた位相変調器を備える。各アームの中で、ＭＺＭは２つの振幅値（１／３，１）を生成する。そして位相変調器（ＰＭ）は、位相をゼロまたはπに設定し、要求される４値信号をコンステレーションダイアグラムの各象限の中に配置する。

第４の１６値ＱＡＭ送信機の構成は、２つの４相位相偏移変調（ＱＰＳＫ）器を備え、それらの変調器は、８０:２０の出力合成比を有するマッハツェンダ干渉計の内部に配置される。これは非特許文献３で報告されている。この方式は、各ＱＰＳＫ変調器に対してバイナリ（２値の）駆動信号を使用することにより、１６値ＱＡＭ変調を達成している。しかしながら、それでもなおこの方式は、象限差動符号化（ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｎｃｏｄｉｎｇ）を施すために、入力ビットシーケンスの電気的な処理が必要である。

４値ＱＡＭや４値ＱＡＭのように、１６値ＱＡＭと比べてより低い次数のＱＡＭや、逆により高い次数のＱＡＭもディジタルデータ符号化に対して知られており、本明細書においては、集合的にこれらを２^ｎＱＡＭと呼ぶことにする。

本発明の目的は、上記の欠点の少なくともいくつかを除去し、改善した２^ｎＱＡＭ光変調器および光信号送信装置を提供することである。

本発明の第１の視点に従えば、２^ｎ直交位相振幅変調光変調器が提供される。この２^ｎ直交位相振幅変調光変調器は、
１つの光入力と、
第１の光変調装置と、
第２光変調装置と
を備え、第１の光変調装置は、コンステレーションダイアグラムにおける第１の象限の中のコンステレーションに配列された２^ｎ−２個のコンステレーション点を有する２^ｎ−２振幅変調方式を受信光信号に適用するように構成され、第２光変調装置は、受信光信号の位相を選択的に回転させるように構成される。ここで、光入力は、変調するべき光信号を第１および第２光変調装置の内の一方に供給するように構成され、前記装置は中間光信号を生成し、第１および第２光変調装置の内の他方に中間光信号を供給するようにさらに構成される。それによって、コンステレーションダイアグラムの４つの象限にわたって分布した２^ｎ個のコンステレーション点を備える正方形のコンステレーションダイアグラムを有する変調出力光信号を生成する。

従って、２^ｎＱＡＭについてのコンステレーションダイアグラムの象限は、第１の象限の中のコンステレーション点を回転することにより設定される。これは、ネストしたＱＰＳＫの１６値ＱＡＭ送信機方式におけるように、それらコンステレーション点を移動させるのとは異なる。この回転は、４象限差動符号化を施すのと等価である。これにより、２^ｎＱＡＭ光変調器は、象限差動符号化を自動的に実行し、符号化を施すために追加的な光素子は必要としない。

ｎは偶数であることが望ましく、最小値で４である。さらに、最も望ましくは、４または６であって、第１の光変調装置のコンステレーション点は、実質的に正方形のコンステレーションに配列されることが望ましい。これにより、差分象限符号化機能を本質的に備える１６値ＱＡＭまたは６４値ＱＡＭ光変調器が提供される。

第１の象限は第Ｉ象限であることが望ましい。

第１の光変調装置は、
同相／直交光変調器と、
駆動装置と
を備えることが望ましく、同相／直交光変調器は、変調するべき光信号を受信するように構成された光入力と、第１の光変調器を備える同相ブランチと、第２の光変調器およびπ／２移相器を備える直交位相ブランチと、光出力とを備え、駆動装置は、同相／直交光変調器が２^ｎ−２振幅変調方式を適用できるように、第１および第２の光変調器に√（２^ｎ−２）値の電気駆動信号を供給するように構成される。

従って、１６値ＱＡＭ光変調器は、２値の（バイナリ）電気駆動信号だけを必要とし、さらなる光素子を必要とせずに象限差動符号化を実行する。更に、バイナリ電気駆動信号を使用することにより、多値駆動信号に生ずる可能性がある大きな歪を実質的に回避することができる。この歪は、高速送信応用において変調器の帯域幅制限および非線形性によって生ずるものである。この６４値ＱＡＭ光変調器は、４値の電気駆動信号が必要なだけであるだろう。従って、公知の６４値ＱＡＭ光変調器と比較して、より簡単な駆動信号が要求されるだけである。

第１および第２の光変調器は、マッハツェンダ変調器を備えることが望ましい。この場合には、電気駆動信号の中のいずれの雑音も、ｓｉｎ^２の形をしたマッハツェンダ変調器の伝達関数によって実質的に吸収される。２^ｎＱＡＭ光変調器はまた、一般的に、出力信号シンボルの間の直接遷移を生成する。これにより、全てのシンボルの組み合わせに対して安定した判定点が生成されるという利点が得られる。

ｎは４であり、２値の電気駆動信号は、近似的に０．３９Ｖ_π（ここでＶ_πはそれぞれのマッハツェンダ変調器の切り替え電圧である）ボルトおよびゼロボルトを備えることが望ましい。それにより、マッハツェンダ変調器は、出力信号振幅値１／３および１を生成する。これらによって、同相／直交光変調器の出力信号シンボルのコンステレーションは、第Ｉ象限における点（Ｉ_１（同相軸），Ｑ_１（直交位相軸））の位置として、（１／３，１／３）、（１，１／３）、（１／３，１）、および（１，１）となる。

第２光変調装置は、受信光信号に対して、４相位相偏移変調方式を適用するように構成されることが望ましい。ここで、４相位相偏移変調方式は、実質的に等しい振幅で９０度位相が異なる４つの変調値を有し、この変調方式によって、各象限の中に1つのコンステレーション点を有する正方形のコンステレーションダイアグラムが得られる。この結果、受信光信号の位相が選択的に回転される。

第２光変調装置は、第２の同相／直交光変調器と第２の駆動装置とを備えることが望ましい。第２の同相／直交光変調器は、光入力と、第３の光変調器を備える同相ブランチと、第４の光変調器およびπ／２移相器を備える直交位相ブランチと、光出力とを備える。第２の駆動装置は、２値の電気駆動信号を第３および第４の光変調器に供給するように構成され、この電気駆動信号は、第１および第２の光変調器に対する電気駆動信号と比較して異なる電圧である。これによって、第２光変調装置は、受信した変調された光信号に対して、実質的に等しい振幅および９０度位相の異なる４つの変調値を有する４相位相偏移変調方式を適用し、この変調方式によって、各象限の中に１つのコンステレーション点を有する正方形のコンステレーションダイアグラムが得られる。

これにより、第Ｉ象限の中のコンステレーション点における出力信号シンボルは、それぞれ、コンステレーションダイアグラムの第Ｉ象限の中に残るか、または、第II象限、第III象限、または第IV象限に回転される。

第３および第４の光変調器はマッハツェンダ変調器を備えることが望ましい。

第３および第４の光変調器に対する２値の電気駆動信号は、Ｖ_π（ここでＶ_πはそれぞれのマッハツェンダ変調器の切り替え電圧である）ボルトおよびゼロボルトを備えることが望ましい。これにより、第３および第４のマッハツェンダ変調器は、出力信号振幅値−１および１を生成し、第２の同相／直交光変調器から、（Ｉ_２（同相軸），Ｑ_２（直交軸））の位置として（１，１）、（１，−１）、（−１，−１）、および（−１，１）の４つのコンステレーション点を備えるコンステレーションダイアグラムが得られる。

この回転は４象限差動符号化を施すことと等価である。これにより、第２の同相／直交光変調器は、変調された光信号に対して本質的に象限差動符号化を施すことができる。

第１の同相／直交光変調器の光出力は、第２の同相／直交光変調器の光入力に結合し、これにより、光変調器が縦続接続されることが望ましい。

第１および第２の駆動装置は、それぞれ第１および第２のドライバを備え、各マッハツェンダ変調器をそれぞれ駆動することが望ましい。あるいは、第１および第２の駆動装置は、単一のデバイスとして提供されてもよい。

第２光変調装置は、代替として、受信信号の位相を、ゼロ度、９０度、１８０度、または２７０度だけ、選択的に回転するように構成された位相変調器を備えることができる。この回転は、４象限差動符号化を施すことと等価である。これにより、位相変調器は、変調された光信号に、本質的に象限差動符号化を施すことができる。

２^ｎ直交位相振幅変調光変調器は、差分符号器を更に備えることができる。この差分符号器は、２^ｎ直交位相振幅変調光変調器によって生成されたｎビットのデータシンボルの最初の２ビットに差動符号化を施すように動作することができる。

本発明の第２の視点に従えば、光信号送信装置が提供される。この光信号送信装置は、光出力を有し光データ信号を生成するように動作可能な光源と、本発明の第１の視点に従った２^ｎ直交位相振幅変調光変調器とを備え、光源の光出力は、第１の光変調装置に結合している。

これにより、光信号送信装置は、送信される光信号に対して本質的に象限差動符号化を適用することができ、符号化を達成するために追加的な操作は必要としない。

本発明の第３の視点に従えば、２^ｎ直交位相振幅変調の方法が提供される。本方法は、
ａ）変調するべき光信号を受信するステップと、
ｂ）受信した光信号に対して、
ａ．光信号に対して、コンステレーションダイアグラムの第１の象限の中のコンステレーションに配列された２^ｎ個のコンステレーション点を有する２^ｎ−２振幅変調方式と、
ｂ．光信号の位相を選択的に回転するために、光信号に対して選択的な位相回転と
の内の一方を施すことにより、中間光信号を生成するステップと、
ｃ）中間光信号に、ａ．およびｂ．の内の他方を適用し、それにより、コンステレーションダイアグラムの４つの象限にわたって分布した２^ｎ個のコンステレーション点を備えるコンステレーションダイアグラムを有する出力光信号を生成するステップと
を備える。

本方法は、光信号を変調する際に本質的に象限差動符号化を適用し、追加的な処理ステップを必要とせずに要求される符号化を達成することができる。

ｎは偶数であることが望ましく、最小値で４である。さらに、最も好ましくは４または６であって、コンステレーション点は、実質的に正方形のコンステレーションに配列されることが望ましい。

ａ．を施すステップは、
I．光信号を同相／直交光変調器に供給するステップと、
II．第１および第２の光変調器に√２^ｎ−２値の電気駆動信号を供給するステップと
を備えることが望ましい。ここで、同相／直交光変調器は、変調するべき光信号を受信するように構成された光入力と、第１の光変調器を備える同相ブランチと、第２の光変調器およびπ／２移相器を備える直交位相ブランチと、光出力とを備える。また、第１および第２の光変調器に√２^ｎ−２値の電気駆動信号を供給することにより、同相／直交光変調器は、受信した光信号に対して、コンステレーションダイアグラムの第１の象限の中の正方形のコンステレーションに配列された２^ｎ−２個のコンステレーション点を有する２^ｎ−２振幅変調方式を適用することができる。

従って、１６値ＱＡＭ光変調は、２値の（バイナリ）電気駆動信号を使用するだけでよく、これにより、追加的な処理ステップを必要とせずに象限差動符号化を実行することができる。更に、第１および第２の光変調をバイナリ電気駆動信号で駆動することにより、多値駆動信号に生ずる可能性がある大きな歪を、実質的に回避することができる。この歪は、高速送信応用において変調器の帯域幅制限および非線形性によって生ずるものである。本方法を使用した６４値ＱＡＭ光変調は、４値の電気駆動信号だけを必要とし、同様に本質的に象限差動符号化を実行する。

第１および第２の光変調器は、マッハツェンダ変調器を備え、ｎは４であり、ステップII．はそれぞれのマッハツェンダ変調器に、近似的に０．３９Ｖ_π（ここでＶ_πはそれぞれのマッハツェンダ変調器の切り替え電圧である）ボルトおよびゼロボルトの２値の電気駆動信号を供給するステップを備えることが望ましい。

電気駆動信号の中のいずれの雑音も、ｓｉｎ^２の形をしたマッハツェンダ変調器の伝達関数によって実質的に吸収される。２^ｎＱＡＭの方法はまた、一般的に、出力信号シンボルの間の直接遷移を生成し、これにより、全てのシンボルの組み合わせに対して安定な判定点が生成されるという利点が得られる。

ｂ．は、実質的に等しい振幅で９０度位相が異なる４つの変調値を有する４相位相偏移変調方式を適用するステップを備え、この変調方式によって、各象限の中に１つのコンステレーション点を有する正方形のコンステレーションダイアグラムが得られることが望ましい。

ＱＰＳＫ変調方式を適用することは、出力信号シンボルを、第Ｉ象限の中のコンステレーション点に選択的に残す、またはそれらを、コンステレーションダイアグラムの第II象限、第III象限、または第IV象限に所望の量だけ回転させることである。

ｂ．を施すステップは、
i．変調するべき光信号を受信するように構成された光入力と、第３の光変調器を備える同相ブランチと、第４の光変調器およびπ／２移相器を備える直交位相ブランチと、光出力とを備える第２の同相／直交光変調器に光信号を供給するステップと、
ii．第３および第４の光変調器に２値の電気駆動信号を供給し、同相／直交光変調器が、実質的に等しい振幅で９０度位相が異なる４つの変調値を有する４相位相偏移変調方式を適用し、この変調方式によって、各象限の中に１つのコンステレーション点を有するコンステレーションダイアグラムを得るステップと
を備えることが望ましい。

光信号の位相を選択的に回転させるステップは、４象限差動符号化を施すステップと等価である。これにより、ＱＰＳＫ変調方式を適用することにより、光信号を変調する際に、本質的に差動符号化を施すことができる。

第３および第４の光変調器はマッハツェンダ変調器を備え、ステップii．は近似的にＶ_π（ここでＶ_πはそれぞれのマッハツェンダ変調器の切り替え電圧である）ボルトおよびゼロボルトの２値の電気駆動信号をマッハツェンダ変調器のそれぞれに供給するステップを備えることが望ましい。

ｂ．を施すステップは、代替として、光信号を位相変調器に供給し、光信号に対してゼロ度、９０度、１８０度、または２７０度の位相回転を選択的に施すステップを備えることができる。

位相回転を施すことは、４象限差動符号化を施すことと等価である。これにより、２^ｎＱＡＭ変調の本方法は、光信号を変調する際に、本質的に象限差動符号化を施すことができる。

２^ｎ直交位相振幅変調の本方法は、前記方法を使用して生成したｎビットのデータシンボルの最初の２ビットに対して差動符号化を施すステップを更に備えることができる。

本発明の実施形態を、添付の図面を参照して以下で詳細に記述する。これらは、例としてのみ示すものである。

本発明の第１の実施形態に従った１６値ＱＡＭ光変調器を示す図である。 図１に示す１６値ＱＡＭ光変調器の第１の同相／直交光変調器（第１の変調装置）のコンステレーションダイアグラムである。 図１に示す１６値ＱＡＭ光変調器の第２の同相／直交光変調器（第２の変調装置）のコンステレーションダイアグラムである。 図２および図３のコンステレーションダイアグラムの積が正方形の１６値ＱＡＭ光変調方式に対するコンステレーションダイアグラムを生成することを示す図である。 従来技術のＱＰＳＫ送信機または１６値ＱＡＭ送信機に対する一般的な方式を示す図である。 図１の１６値ＱＡＭ光変調器を使用して実施した、本発明の第２の実施形態に従った１６値ＱＡＭの方法のステップを示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に従った１６値ＱＡＭ光変調器を示す図である。 図７の１６値ＱＡＭ光変調器を使用して実施した、本発明の第４の実施形態に従った１６値ＱＡＭの方法のステップを示すフローチャートである。 本発明の第５の実施形態に従った光信号送信装置を示す図である。

図１から図４を参照して、本発明の第１の実施形態を記述する。第１の実施形態は、１６値ＱＡＭ光変調器１０の形で２^ｎ直交位相振幅変調（ＱＡＭ）光変調器を提供する。１６値ＱＡＭ光変調器１０は、光入力１１、第１の光変調装置１２および第２光変調装置２０を備える。この実施形態においては、変調対象の光信号は、光入力１１によって受信され、そして第１の光変調装置１２に渡される。第１の光変調装置１２は光信号に４値ＱＡＭ方式を適用し、中間光信号を生成する。その後、中間光信号は第２光変調装置２０に供給される。第２光変調装置２０は、中間光信号の位相を選択的に回転させる。１６値ＱＡＭにより変調された光信号は、光変調器１０から出力され、図４に示す正方形のコンステレーションダイアグラム１９を有する。コンステレーションダイアグラム１９は、コンステレーションダイアグラムの４つの象限にわたって分布した１６個のコンステレーション点１６を備える。

第１の光変調装置１２は同相／直交位相（Ｉ−Ｑ）光変調器２２を備え、同相／直交位相（Ｉ−Ｑ）光変調器２２は、変調するべき光信号を受信するように構成された光入力２４と、同相ブランチ２６と、直交位相ブランチ３０とを備える。同相ブランチ２６は第１の光変調器を備え、第１の光変調器は第１のドライバユニット（図示せず）によって駆動されるマッハツェンダ変調器（ＭＺＭ）２８の形をしている。直交位相ブランチは第２の光変調器とπ／２位相シフター（移相器）３４とを備え、第２の光変調器は第２のドライバユニット（図示せず）によって駆動される第２のマッハツェンダ変調器３２の形をしている。同相ブランチ２６と直交位相ブランチ３０とはそれらの出力端子のところで結合して合流し、Ｉ−Ｑ変調器２２の光出力３６を形成する。

第１のマッハツェンダ変調器２８は、近似的に０．３９Ｖ_π（ここでＶ_πはマッハツェンダ変調器２８の切り替え電圧）ボルトおよびゼロボルトといったバイナリ（２値の）駆動電圧（Ｖ_ｘ１）で駆動される。第２のマッハツェンダ変調器３２も同様に、同じバイナリ電圧値（Ｖ_ｙ１）で駆動される。これにより、マッハツェンダ変調器２８、３２は、振幅値が１／３および１の出力信号を生成する。これにより、Ｉ−Ｑ光変調器２２から、４つのコンステレーション点１６を有する出力信号シンボルコンステレーション１４が得られる。これらのコンステレーション点（信号座標）は、第Ｉ象限の中にあり、同相軸（ｘ_１）および直交位相軸（ｙ_１）の位置が（１／３，１／３）、（１，１／３）、（１／３，１）、および（１，１）である。これらは図２に示されている。

この実施形態においては、第２光変調装置２０は、第２のＩ−Ｑ光変調器３８を備え、第２のＩ−Ｑ光変調器３８は、光入力４０、同相ブランチ４２、および直交位相ブランチ４６を備える。同相ブランチは、第３のマッハツェンダ変調器４４を備える。直交位相ブランチ４６は、第４のマッハツェンダ変調器４８および第２のπ／２移相器５０を備える。同相ブランチ４２および直交位相ブランチ４６の光出力端子は互いに結合して第２のＩ−Ｑ変調器３８の出力５２を形成し、出力５２は１６値ＱＡＭ光変調器１０の出力を形成する。

第３のマッハツェンダ変調器４４は、Ｖ_πボルトおよびゼロボルトのバイナリ電気駆動電圧（Ｖ_ｘ２）で駆動され、第４のマッハツェンダ変調器４８も同様に、Ｖ_πボルトおよびゼロボルトのバイナリ電気駆動信号（Ｖ_ｙ２）で駆動される。従って、第３および第４のマッハツェンダ変調器は、第１および第２のマッハツェンダ変調器２８、３２とは異なる電圧で駆動される。バイナリ電気駆動信号は、第２のＩ−Ｑ変調器３８に、実質的に等しい振幅でそれぞれ９０°ずつ位相が異なる４つの変調値を有する４相位相偏移変調（ＱＰＳＫ）を与える。従って、第２のＩ−Ｑ変調器３８は、各象限の中に位置する１つのコンステレーション点１６を備えた正方形のコンステレーションダイアグラム３９を有する変調方式を適用する。これは図３に示されている。

公知の差動型光送信機の一般的な方式を図５に示す。４重の回転対称性によってＱＡＭフォーマットは、搬送波位相の推定の際に４重の位相曖昧性（π／２の倍数）を伴う。ＱＡＭにおいて、符号化に対する犠牲を最小にして位相曖昧性の問題を解消するための最適な符号化は、象限差動符号化である。ｎを偶数として２^ｎＱＡＭフォーマットを仮定すれば、各シンボルは２^ｎビットで表現される。最初の２ビットは、差動ＱＰＳＫフォーマットにおけるように差動符号化され、象限の変化を表す。残りのビットは、各象限の中でグレイ符号によって符号化される。

公知の位相および振幅Ｉ−Ｑ変調器およびネストしたＱＰＳＫ変調器では、２つの駆動電圧は象限を決定し、また他の２つは象限内部の点を決定する。従って、符号器はＤＱＰＳＫに対して与えられた論理操作と同一の論理操作によって最初の２ビットを差動符号化することにより実現することができる。これらは次式で与えられる。

これらの変調器の各象限の中の４つの点は、それぞれ、第Ｉ象限の中の点の反射または移動によって得られる。象限差動符号化では、最後の２ビットは各象限の中でグレイ符号化によって符号化され、その象限そのものに従って回転されたパターンを持つことが必要である。位相および振幅Ｉ−Ｑ変調器に関しては、第Ｉ象限から第III象限への２回の反射は回転と等価であることに注目すれば、反射は回転に変換することができる。一方で、第II象限または第IV象限への反射は、これらの２ビットを単純に入れ替えすることにより回転に変換することができる。これに対応する論理操作は次式で示される。

ネストしたＱＰＳＫ変調器に関しては、信号遷移は、選択した象限に従ってこの２つビットを回転することにより、回転操作に変換することができる。ＤＱＰＳＫに対しては同様の操作が実行され、ここでは先行する符号化されたビットｂ_{１，ｋ−１}およびｂ_{２，ｋ−１}は実際の情報ビットａ_１，ｋおよびａ_２，ｋに従って回転される。従って、この変調器に対して要求される論理操作は次式によって得ることができる。

この実施形態の１６値ＱＡＭ光変調器１０においては、第１および第２のマッハツェンダ変調器２８、３２に適用された駆動電圧（Ｖ_ｘ１，Ｖ_ｙ１）を通して、上述した論理操作に従って、最初の２ビット（ｂ_１，ｂ_２）に差動符号化が施される。しかしながら、第２のＩ−Ｑ変調器３８のＱＰＳＫ変調方式によって行われる、コンステレーションダイアグラムの点１６の実際の回転（第１のＩ−Ｑ変調器２２のコンステレーションダイアグラム１４の第Ｉ象限１８からの回転）は、４象限差動符号化と等価である。これにより、１６値ＱＡＭ光変調器１０は、光信号に対して実行するべきいずれの追加的な操作も必要とせずに、４象限差動符号化を施すことができる。すなわち、これは次式で示される。
ｂ_３，ｋ＝ａ_３，ｋ
ｂ_４，ｋ＝ａ_４，ｋ
実際に使用する場合には、本発明の第２の実施形態に従った１６値ＱＡＭ変調の方法は、１６値ＱＡＭ光変調器１０を使用して実施される。これは図６のフローチャートに示されている。変調対象の光信号は、１６値ＱＡＭ光変調器１０の光入力１１によって受信され、第１のＩ−Ｑ変調器２２の光入力２４に渡され、第１のＩ−Ｑ変調器２２は、図２に示すコンステレーションダイアグラム１４を有する４値ＱＡＭ方式を適用する。差動符号化は、第１および第２のマッハツェンダ変調器２８、３２に与えられる駆動電圧（Ｖ_ｘ１，Ｖ_ｙ１）を介して最初の２ビットに施される。その結果得られた第１のＩ−Ｑ変調器２２からの中間光信号出力は、第２のＩ−Ｑ変調器３８の入力４０に結合し、第２のＩ−Ｑ変調器３８は、図３に示されるコンステレーションダイアグラム３９を有するＱＰＳＫ変調を施す。これにより、中間光信号の位相は選択的に回転され、この回転が元になり、中間光信号のコンステレーション点（図２に示されている）は、最終的には４つの象限のそれぞれの中に選択的に回転されて、それにより、コンステレーションダイアグラム１９（図４に示されている）を有する１６値ＱＡＭ変調出力光信号が生成される。

２つのＩ−Ｑ変調器２２、３８をカスケード接続することによって、コンステレーションダイアグラム１９を有する光変調方式を得ることができる。コンステレーションダイアグラム１９は、第１のＩ−Ｑ変調器２２のコンステレーションダイアグラム１４と第２のＩ−Ｑ変調器３８のコンステレーションダイアグラム３９との積と等価である。第１のＩ−Ｑ変調器２２は、第Ｉ象限１８の中に位置する小さい正方形の点１４を生成し、一方で、第２のＩ−Ｑ変調器３８は、大きい正方形の点３９を生成する。この大きい正方形の点３９は、全体が持つ無関係なπ／４の位相回転とは別に、第II象限、第III象限、または第IV象限の中の残りの１６値ＱＡＭコンステレーション点を得るのに必要な位相回転に対応している。π／４位相回転を含めれば、出力信号の低域通過（ローパス）と等価な部分は次式で表される。
ｚ＝ｘ＋ｊｙ＝（ｘ_１＋ｊｙ_１）（ｘ_２＋ｊｙ_２）ｅ^ｊπ／４
上式では表示を簡単にするために、信号の時間依存性は省略してある。

図７を参照すると、本発明の第３の実施形態は１６値ＱＡＭ光変調器６０を提供している。この１６値ＱＡＭ光変調器６０は、図１の１６値ＱＡＭ光変調器１０と実質的には同一であるが、以下に示す変形が行われている。対応する特徴物に対しては同じ参照番号をそのまま使用している。

この実施形態においては、第２光変調装置２０は、位相変調器６２を備え、位相変調器６２は、第１のＩ−Ｑ光変調器２２からの中間光信号出力に対して０°、９０°、１８０°または２７０°の位相回転を選択的に施すように動作することができる。位相変調器６２によって与えられる位相回転は、変調された光信号に対して、同様に本質的に４象限差動符号化を施す。

本発明の第４の実施形態は、図７に示した１６値ＱＡＭ光変調器を使用して実施した１６値ＱＡＭの方法を提供する。これは図８のフローチャートに示されている。この実施形態の方法は、図６に示した方法と実質的に同一であるが、位相回転は、第２のＩ−Ｑ光変調器３８によって実施されたＱＰＳＫによってではなくて、位相変調器６２によって施されるという変形がなされている。

図９を参照すると、本発明の第５の実施形態は、光信号送信装置７０を提供している。この光信号送信装置７０は、第１の実施形態の１６値ＱＡＭ光変調器１０と、光信号データストリーム７４を生成するように動作することができるレーザダイオード７２の形のデータ信号源を備える。レーザダイオード７２は、第１のＩ−Ｑ光変調器２２の光入力２４に結合している。１６値ＱＡＭ光変調器１０は上記で記述したように動作し、光データ信号に対して、図６のフローチャートに示した方法を実施する。

ここに記述されている実施形態に対して種々の変形を行うことが可能であり、それらは本発明の範囲から逸脱するものではない。これらの変形とは、以下に示すものである。すなわち、第１の実施形態の２つのＩ−Ｑ光変調器は順序を逆にして、ＱＰＳＫ光変調を最初に光信号に施して、その次に４値ＱＡＭ光変調を行うようにすることができる。また、第５の実施形態の光信号送信装置対しても同様の変形を行うことができる。本発明の第３の実施形態のＩ−Ｑ変調器２２および位相変調器６２も同様に順序を逆にして、最初に位相変調器が光信号に対して位相変調を施して、その次にＩ−Ｑ変調器が４値ＱＡＭ光変調を施すようにすることもできる。Ｉ−Ｑ光変調器は、図２の示したコンステレーションダイアグラムを有する所望の４値ＱＡＭ光変調方式を適用するように動作可能な、異なるタイプの光変調器で置き換えることができると理解されるであろう。

記述した実施形態は、１６値ＱＡＭ光変調器および１６値ＱＡＭ光変調の方法に関しているが、第１の光変調装置は、６４値ＱＡＭの光変調器および変調方法等の、異なる２^ｎＱＡＭ光変調方式を適用するように動作可能な光変調装置で置き換えることができると理解されるであろう。マッハツェンダ変調器に対する電気駆動信号は、それに対応して変化するであろう。例えば、６４値ＱＡＭ光変調の実施例では４値の駆動信号になるであろう。

１６値ＱＡＭは、光ファイバの中での１００Ｇｂｉｔ／ｓ伝送に対する変調フォーマット候補の内の１つである。これは多値信号であり、従来の光変調器を使用して生成するための些細ならぬ手法である。さらに、象限差動符号化は、受信機におけるπ／２位相曖昧性を解決する助けになる。しかし、送信ビットシーケンスの高速度なディジタル処理が必要になる。本実施例の２^ｎＱＡＭ光変調器によって、２値の電気駆動信号だけを必要とする１６値ＱＡＭ変調器を提供することができ、多値駆動信号に勝る利点を得ることができる。多値駆動信号の場合には、変調器の帯域幅制限および非線形性によって大きな歪みを生ずる可能性がある。更に、本実施例の２^ｎＱＡＭ光変調器は、ビットシーケンスの追加的処理を必要とせずに象限差動符号化を施すことができて、象限差動符号化は、本発明の変調器および方法によって、自動的に実施される。

Claims (24)

1. ２^ｎ直交位相振幅変調方式の光変調器であって、
   光入力部と、
   コンステレーションダイアグラムにおける第１の象限のコンステレーションに２^ｎ−２個のコンステレーション点が配置される２^ｎ−２値の振幅変調を、受信した光信号に適用する第１光変調装置と、
   受信した光信号の位相を選択的に回転させる第２光変調装置と
   を備え、
   前記光入力部は変調対象の光信号を前記第１光変調装置と前記第２光変調装置のうち一方の光変調装置に渡し、前記一方の光変調装置は中間光信号を生成し、生成した前記中間光信号を前記第１光変調装置と前記第２光変調装置のうち他方の光変調装置に渡すことで、２^ｎ個のコンステレーション点が４つの象限に分散配置された正方形状のコンステレーションダイアグラムに変調された出力光信号を生成することを特徴とする光変調器。
2. 前記ｎは少なくとも４以上の偶数であり、前記第１光変調装置のコンステレーション点は実質的に正方形の頂点に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記ｎは４または６であることを特徴とする請求項２に記載の光変調器。
4. 前記第１光変調装置は、
   同相直交位相光変調器と、
   駆動装置と
   備え、
   前記同相直交位相光変調器は、
   変調対象の光信号を受信する光入力部と、
   第１光変調部を備えた同相ブランチと、
   第２光変調部と、π／２位相シフターとを備えた直交位相ブランチと、
   光出力部と
   を備え、
   前記駆動装置は、
   √（２^ｎ−２）レベルの電気駆動信号を前記第１光変調部と前記第２光変調部とに供給することで、前記同相直交位相光変調器が前記２^ｎ−２値の振幅変調を実施する
   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光変調部および前記第２光変調部は、マッハツェンダ変調器を含むことを特徴とする請求項４に記載の光変調器。
6. 前記ｎは４であり、２つのレベルの電気駆動信号は、実質的に０．３９Ｖ_πボルトとゼロボルトとであり、前記Ｖ_πは、前記マッハツェンダ変調器における切替電圧であることを特徴とする請求項５に記載の光変調器。
7. 前記第２光変調装置は、９０°の位相間隔で並び、かつ、それぞれ振幅が実質的に等しい４つの変調レベルを提供する４相位相偏移変調であって、４つの象限のそれぞれにコンステレーション点が配置される正方形状のコンステレーションダイアグラムを与える４相位相偏移変調を前記受信した光信号に実行することで、前記受信した光信号の位相を選択的に回転させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光変調器。
8. 前記第２光変調装置は、
   第２の同相直交位相光変調器と、
   第２の駆動装置と
   を備え、
   前記第２の同相直交位相光変調器は、
   光入力部と、
   第３光変調部を備えた同相ブランチと、
   第４光変調部と、π／２位相シフターと、
   光出力部と
   を備え、
   前記第２の駆動装置は、
   前記第１光変調部と前記第２光変調部とに供給される電気駆動信号とは異なる電圧の２つのレベルの電気駆動信号を前記第３光変調部と前記第４光変調部とに供給することで、前記第２光変調装置は、９０°の位相間隔で並び、かつ、それぞれ振幅が実質的に等しい４つの変調レベルを提供する４相位相偏移変調であって、４つの象限のそれぞれにコンステレーション点が配置される正方形状のコンステレーションダイアグラムを与える４相位相偏移変調を前記受信した光信号に実行する
   ことを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の光変調器。
9. 前記第３光変調部および前記第４光変調部は、マッハツェンダ変調器を含むことを特徴とする請求項８に記載の光変調器。
10. 前記第３光変調部と前記第４光変調部とに供給される前記２つのレベルの電気駆動信号は、Ｖ_πボルトとゼロボルトとであり、前記Ｖ_πは、前記マッハツェンダ変調器における切替電圧であることを特徴とする請求項９に記載の光変調器。
11. 前記同相直交位相光変調器が備える前記光出力部は、前記第２の同相直交位相光変調器が備える前記光入力部に接続されていることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の光変調器。
12. 前記第２光変調装置は、０°、９０°、１８０°、または、２７０°だけ前記受信した光信号の位相を選択的に回転させる位相変調器を備えていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光変調器。
13. 前記第１の象限は、第Ｉ象限であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の光変調器。
14. 前記２^ｎ直交位相振幅変調方式の光変調器によって生成されたデータシンボルのｎビットのうち最初の２つのビットに対して差動符号化を実行する差動符号化器をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の光変調器。
    光信号送信装置であって、
    光出力部を備え、光信号を生成する光源と、
    請求項１ないし１４のいずれか１項に記載された２^ｎ直交位相振幅変調方式の光変調器と
    を備え、
    前記光源の前記光出力部は、前記第１光変調装置に接続されていることを特徴とする光信号送信装置。
15. ２^ｎ直交位相振幅変調方法であって、
    ａ） 変調対象の光信号を受信するステップと、
    ｂ） 前記受信した光信号から中間光信号を生成するステップであって、
    ａ． コンステレーションダイアグラムにおける第１の象限のコンステレーションに２^ｎ−２個のコンステレーション点が配置される２^ｎ−２値の振幅変調を、前記受信した光信号に適用するステップと、
    ｂ． 前記受信した光信号の位相を選択的に回転させるステップと
    のうちいずれか一方のステップを実行するステップと、
    ｃ） 前記ａ．のステップと前記ｂ．のステップとのうち他方のステップを前記中間光信号に適用することで、２^ｎ個のコンステレーション点が４つの象限に分散配置されたコンステレーションダイアグラムに変調された出力光信号を生成するステップと
    を有することを特徴とする２^ｎ直交位相振幅変調方法。
16. 前記ｎは少なくとも４以上の偶数であり、前記第１光変調装置のコンステレーション点は実質的に正方形の頂点に配置されることを特徴とする請求項１６に記載の２^ｎ直交位相振幅変調方法。
17. 前記ｎは４または６であることを特徴とする請求項１７に記載の２^ｎ直交位相振幅変調方法。
18. 前記ａ．のステップは、
    Ｉ． 変調対象の光信号を受信する光入力部と、第１光変調部を備えた同相ブランチと、第２光変調部およびπ／２位相シフターを備えた直交位相ブランチと、光出力部とを備えた同相直交位相光変調器に前記光信号を受け渡すステップと、
    ＩＩ． √（２^ｎ−２）レベルの電気駆動信号を前記第１光変調部と前記第２光変調部とに供給することで、前記同相直交位相光変調器が、コンステレーションダイアグラムにおける第１の象限のコンステレーションに２^ｎ−２個のコンステレーション点が配置される２^ｎ−２値の振幅変調を実施するステップと
    を含むことを特徴とする請求項１８に記載の２^ｎ直交位相振幅変調方法。
19. 前記第１光変調部および前記第２光変調部は、マッハツェンダ変調器を含み、
    前記ｎは４であり、前記ＩＩ．のステップは、前記マッハツェンダ変調器である前記第１光変調部および前記第２光変調部のそれぞれに、実質的に０．３９Ｖπボルトとゼロボルトという２つのレベルの電気駆動信号を供給するステップを含み、前記Ｖ_πは、前記マッハツェンダ変調器における切替電圧であることを特徴とする請求項１９に記載の２^ｎ直交位相振幅変調方法。
20. 前記ｂ．のステップは、
    ９０°の位相間隔で並び、かつ、それぞれ振幅が実質的に等しい４つの変調レベルを提供する４相位相偏移変調であって、４つの象限のそれぞれにコンステレーション点が配置される正方形状のコンステレーションダイアグラムを与える４相位相偏移変調を前記受信した光信号に実行するステップを含むことを特徴とする請求項１６ないし２０のいずれか１項に記載の２^ｎ直交位相振幅変調方法。
21. 前記ｂ．のステップは、
    ｉ． 変調対象の光信号を受信する光入力部と、第３光変調部を備えた同相ブランチと、第４光変調部およびπ／２位相シフターを備えた直交位相ブランチと、光出力部とを備えた第２の同相直交位相光変調器に前記光信号を受け渡すステップと、
    ｉｉ． ２つのレベルの電気駆動信号を前記第３光変調部と前記第４光変調部とに供給することで、前記第２の同相直交位相光変調器は、９０°の位相間隔で並び、かつ、それぞれ振幅が実質的に等しい４つの変調レベルを提供する４相位相偏移変調であって、４つの象限のそれぞれにコンステレーション点が配置される正方形状のコンステレーションダイアグラムを与える４相位相偏移変調を前記受信した光信号に実行するステップと
    を含むことを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれか１項に記載の２^ｎ直交位相振幅変調方法。
22. 前記第３光変調部および前記第４光変調部は、マッハツェンダ変調器を含み、
    前記ｉｉ．のステップは、前記マッハツェンダ変調器である前記第３光変調部および前記第４光変調部のそれぞれにＶ_πボルトとゼロボルトという２つのレベルの電気駆動信号を供給するステップとを含み、
    前記Ｖ_πは、前記マッハツェンダ変調器における切替電圧であることを特徴とする請求項２２に記載の２^ｎ直交位相振幅変調方法。
23. 前記ｂ．のステップは、
    前記光信号を位相変調器に供給するステップと、
    前記光信号に対して選択的に０°、９０°、１８０°、または、２７０°のいずれかの位相回転を適用するステップと
    を含むことを特徴とする請求項１８ないし２０のいずれか１項に記載の２^ｎ直交位相振幅変調方法。
24. 前記２^ｎ直交位相振幅変調方法によって生成されたデータシンボルのｎビットのうち最初の２つのビットに対して差動符号化を実行するステップをさらに有することを特徴とする請求項１６ないし２４のいずれか１項に記載の２^ｎ直交位相振幅変調方法。

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