JP2017103646A - 光送信器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の伝送線路のうちの少なくとも一つの伝送線路における電気信号の伝搬時間を変化させ、各伝送線路を伝搬する電気信号間の遅延時間差を調整することによって、多重化して送信される光信号の光送信波形を調整することができる光送信器を提供すること。【解決手段】光送信器は、複数の光源部と、複数の光源部の各々に対応して設けられる複数の伝送線路と、複数の伝送線路のうちの少なくとも一つの伝送線路を伝搬する電気信号の伝搬時間を遅延させる遅延回路とを含み、遅延回路は、複数の伝送線路を伝搬する複数の電気信号間の伝搬遅延時間差を調整するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を多重化して送信する光送信器に関する。

光通信の高速化に伴い、クライアント系において、電気信号の伝送速度が40Gbpsまたは100Gbpsを有するシステムの実用化が進められている。電気信号の伝送速度は、１チャネル当たりの電気信号を伝送するだけでは、高速化が制限されるので、近年は、並列的に伝送される複数の電気信号に対応する各光信号を多重化することにより、伝送速度の高速化を実現する傾向がある。例えば、IEEE802.3ba規格の100ギガビットイーサネットでは、中・長距離伝送（シングルモードファイバ10ｋｍ、40ｋｍ）に対しては、1.3μｍ帯、25Gbps×4波の光源が求められている（非特許文献１）。このような規格に対応する光送信器を図７に示す。

図７は、従来の光送信器１００の構成を示す図である。
光送信器１００は、ＰＣＳ／ＰＭＡ部１０１と、４つの伝送線路１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄと、４つのレーザ駆動回路１０３１ａ，１０３１ｂ，１０３１ｃ，１０３１ｄと、４つの伝送線路１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１４ｄと、光送信モジュール１０５とを備える。

ＰＣＳ／ＰＭＡ部１０１では、データリンク層で作られたＭＡＣフレームは、ＰＣＳ（Physical Coding Sublayer：物理符号化副層）において符号化され、さらにＰＭＡ（Physical Medium Attachment：物理媒体接続部）においてパラレル／シリアル変換される。変換された信号は、伝送線路１０２ａ〜１０２ｄを介して、対応するレーザ駆動回路１０３１ａ〜１０３１ｄに伝送される。レーザ駆動回路１０３１ａ〜１０３１ｄにおいて、信号は、所望の振幅をもつ電流信号または電圧信号に変換され、その後、電流信号または電圧信号は、対応する伝送線路１０４ａ〜１０４ｄを介して、光送信モジュール１０５に伝送される。図７において、符号１０３は、レーザ駆動回路１０３１ａ〜１０３１ｄを備えるモジュールを示してある。

光送信モジュール１０５には、伝送線路１０５１ａ，１０５１ｂ，１０５１ｃ，１０５１ｄと、それぞれの伝送線路に対応付けられたレーザダイオード１０５２ａ，１０５２ｂ，１０５２ｃ，１０５２ｄと、光合波器１０５３とを備える。

レーザダイオード１０５２ａ〜１０５２ｄは、対応する伝送線路１０５１ａ〜１０５１ｄを介して伝送された電流信号または電圧信号に基づいてレーザ光を発振し、光合波器１０５３は、それぞれのレーザ光を合波する。そして、合波されたレーザ光は、光ファイバ１１５を伝搬する。

藤澤剛他９名、「次世代100GbEトランシーバ用モノリシック集積光源」電子情報通信学会 信学技報、OCS2011-68、OPE2011-106、LQE2011-10、pp.77-80、2011年11月

従来の光送信器では、複数の電気信号に対応する各光信号を多重化することにより、伝送速度が高速化される。しかしながら、電気信号の伝送速度が高速化することにより、電気信号が並列的に処理された場合には、光送信器自体の小型化によりチャネル間の伝送線路のピッチが狭くなり、結果として、隣接するチャネル間で生じる電気クロストーク信号の影響が増大する。

電気クロストーク信号は、可能な限り低減させるのが好ましい。様々な回路技術や高周波実装技術などにより、電気クロストーク信号を低減させる試みが行われているが、電気クロストーク信号を完全に取り除くことは実質的に不可能である。

隣接チャネルから漏洩してきた電気クロストーク信号が本来の電気信号に重畳されると、伝送線路を伝搬する電気信号の品質が劣化し、伝送後の符号誤り率が増大し得る。仮に隣接するチャネル間で生じる電気クロストーク信号が同じであったとしても、電気信号の品質が劣化する度合いは、電気クロストーク信号と本来の電気信号との間の干渉の位相関係、すなわち遅延時間差（スキュー）によって異なる。

従来の光送信器では、チャネル間の位相関係は制御されていないため、各チャネルの伝送線路長をすべて同一にすることはできず、伝送線路長は、チャネル毎によって異なる。例えば、100ギガビットのイーサネット(登録商標)の場合、並列的に伝送される電気信号は、各チャネル間で非同期になるため、各チャネルの装置ごとに、電気クロストーク信号と本来の電気信号との位相関係がばらばらとなる。

したがって、このような状況下においては、上述した遅延時間差（スキュー）を調整しようとしても、電気クロストーク信号と本来の電気信号との間の干渉に影響を与える位相関係は、伝送装置の設置状況に依存し、一意に定まらない。

本発明は、このような状況下において鑑みてなされたものであり、複数の伝送線路のうちの少なくとも一つの伝送線路における電気信号の伝搬時間を変化させ、各伝送線路を伝搬する電気信号間の遅延時間差を調整することによって、多重化して送信される光信号の光送信波形（アイパターン）を調整することができる光送信器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、複数の光源部と、前記複数の光源部の各々に対応して設けられる複数の伝送線路と、前記複数の伝送線路のうちの少なくとも一つの伝送線路を伝搬する電気信号の伝搬時間を遅延させる遅延回路とを含み、前記遅延回路は、前記複数の伝送線路を伝搬する複数の電気信号間の伝搬遅延時間差を調整するように構成されている。

前記光源部は、直接変調ＤＦＢレーザ、またはＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザとしてもよい。

本発明は、前記複数の光源部を駆動させるための複数の駆動回路をさらに含むようにしてもよい。

前記遅延回路は、低域通過フィルタ、または移相器としてもよい。

本発明によれば、複数の伝送線路のうちの少なくとも一つの伝送線路における電気信号の伝搬時間を変化させ、各伝送線路を伝搬する電気信号間の遅延時間差を調整することによって、多重化して送信される光信号の光送信波形を調整することができる。

本発明の実施形態における光送信器の構成例を示す概略図である。 直接変調ＤＦＢレーザの構成例を示す断面図である。 ＥＡ−ＤＦＢレーザの構成例を示す図である。 遅延回路の構成例を説明するための図である。 ある光源部における電気信号波形のシミュレーション結果を説明するための図である。 光送信器の遅延回路によってチャネルのスキューを調整した場合の光送信波形のシミュレーション結果を説明するための図である。 従来の光送信器の構成を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態における光送信器１について説明する。この光送信器１は、複数の伝送線路のうちの少なくとも一つの伝送線路における電気信号の伝搬時間を変化させるものである。

［光送信器の全体構成］
図１は、光送信器１の構成例を示す概略図である。

図１に示すように、光送信器１は、ＰＣＳ／ＰＭＡ部１１と、４つの伝送線路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、４つのレーザ駆動回路１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄと、４つの遅延回路１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと、４つの伝送線路１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄと、光送信モジュール１６とを備える。図１において、符号１３は、レーザ駆動回路１３１ａ〜１３１ｄを備えるモジュールを示してある。

ＰＣＳ／ＰＭＡ部１１では、データリンク層で作られたＭＡＣフレームは、ＰＣＳ（Physical Coding Sublayer：物理符号化副層）において符号化され、さらにＰＭＡ（Physical Medium Attachment：物理媒体接続部）においてパラレル／シリアル変換される。変換された信号は、伝送線路１２ａ〜１２ｄを介して、対応するレーザ駆動回路１３１ａ〜１３１ｄに伝送される。レーザ駆動回路１３１ａ〜１３１ｄにおいて、信号は、所望の振幅をもつ電気信号（電流信号または電圧信号）に変換され、その後、遅延回路１４ａ〜１４ｄによって遅延された電気信号（電流信号または電圧信号）は、対応する伝送線路１５ａ〜１５ｄを介して、光送信モジュール１６に伝送される。

ＴＯＳＡ(Transmitter Optical Sub-Assembly)と呼ばれる光送信モジュール１６には、伝送線路１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄと、それぞれの伝送線路に対応付けられた光源部１６２ａ，１６２ｂ，１６２ｃ，１６２ｄと、光合波器１６３とを備える。

光源部１６２ａ〜１６２ｄは、対応する伝送線路１６１ａ〜１６１ｄを介して伝送された電気信号（電流信号または電圧信号）に基づいてレーザ光を発振する。光合波器１６３は、光源部１６２ａ〜１６２ｄからの各レーザ光を合波する。そして、合波されたレーザ光は、光ファイバ１０を伝搬する。

[光源部の構成]
本実施形態の光送信器１において、光源部１６２ａ〜１６２ｄは、例えば、直接変調ＤＦＢ(Distributed Feedback)レーザである。

図２は、直接変調ＤＦＢレーザ４００の構成例を示す断面図である。

図２に示すように、直接変調DFBレーザ４００は、ｐ-InP基板４２０上に集積される。この直接変調DFBレーザ４００の活性層４１６は、InGaAsP／InGaAsP多重量子井戸（MQW: Multi-Quantum Well）構造を備える。

活性層４１６の上には、ＤＦＢを形成する回折格子４３０と、ｎ-InP層４１９とがメサ状に形成されており、これらは、高抵抗埋込層４２１によって埋め込まれている。

電極４２３には、ボンディングワイヤを形成するため、またはフリップチップボンディングのためのパット電極４２２が設けられている。

直接変調DFBレーザ４００の長さＬは、例えば300μｍである。直接変調ＤＦＢレーザ４００には電流が注入され、これに伴い、直接変調ＤＦＢレーザ４００は、レーザ光ｄを発振する。

なお、光送信器１において、例えば、入力信号が「０」信号の場合は１０ｍＡの電流が直接変調ＤＦＢレーザ４００に注入され、「１」信号の場合は６０ｍＡの電流が直接変調ＤＦＢレーザ４００に注入される。

上述した光源部１６２ａ〜１６２ｄは、例えば、ＥＡ（Electro-Absorption）変調器集積ＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザ（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）によっても実施することができる。

図３は、ＥＡ−ＤＦＢレーザ５００の構成例を示す図であって、（ａ）はＥＡ−ＤＦＢレーザ５００の斜視図、（ｂ）はＥＡ−ＤＦＢレーザ５００の断面図、を示す。

図３（ｂ）に示すように、ＥＡ−ＤＦＢレーザ５００は、ＤＦＢ半導体レーザ５３０と、ＥＡ変調器５４０とを備える。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、ＥＡ−ＤＦＢレーザ５００は、ｎ電極５０１と、ｎ−ＩｎＰ基板５０２と、ｎ−ＩｎＰクラッド層５０３と、ＤＦＢレーザの活性層５０４と、ＤＦＢレーザのガイド層５０５とを含む。

ガイド層５０５には、ＥＢ(electron beam）描画により、回折格子５１５が形成されている。

ＥＡ−ＤＦＢレーザ５００はさらに、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０６と、ＤＦＢレーザの電極５０７と、ＥＡ変調器の吸収層５０８と、ＥＡ変調器の電極５０９とを備える。

ＤＦＢレーザの中心部分に形成された位相シフト５１２は、発振波長の単一モードを実現するため、回折格子５１５に光の位相を１／４波長シフトさせるための領域を有する。

なお、光送信器１において、例えば、入力信号が「０」信号の場合は-０．１Ｖの電圧がＥＡ−ＤＦＢレーザ５００のＥＡ変調器に印加され、入力信号が「１」信号の場合は-２．６Ｖの電圧がＥＡ−ＤＦＢレーザ５００のＥＡ変調器に印加される。

[遅延回路の構成]
図４は、遅延回路１４ａ〜１４ｄの構成例を示す図であって、（ａ）はＣＲ回路、（ｂ）は遅延回路切替（２ビット移相器）、（ｃ）は移相器、を示す。

図４（ａ）に示したＣＲ回路の一例は、低域通過フィルタである。例えば、このＣＲ回路は、伝送線路が形成されるプリント基板上、または光送信器１のモジュールに用いられるフレキシブル基板上に、半田により、チップ抵抗器およびチップコンデンサを搭載するようにして形成する形態が考えられる。

図４（ｂ）に示した２ビット移相器では、スイッチにより、伝送線路上に形成された複数の遅延線路ＴＬ（同図（ｂ）では、例えば２つ）のいずれかに切り替えることにより、電気信号が伝搬する物理的な線路長を変えることで、複数の伝送線路を伝搬する信号間の伝搬遅延時間差（スキュー）を調整するようにしている。例えば、かかる切り替え方法として、能動素子のスイッチにより遅延線路ＴＬを切り替えることや、ワイヤリングまたは線路形状のトリミングなどの受動回路により遅延線路ＴＬを切り替えること等が考えられる。

例えば図４（ｃ）は、スキューを調整する機能を備える移相器を例示している。

なお、上述した遅延回路１４ａ〜１４ｄは、スキューを調整する機能を備えるものであればよく、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示した構成の他、様々な代替の構成によって実現するようにしてもよい。

[光送信特性]
この実施形態の光送信器１において、１０ｋｍ以上の伝送距離での光送信特性を調べるため、光送信モジュール１６に電気信号が与えられたときの、光源部１６２ａ〜１６２ｄの入力ノードにおける電気信号波形（アイパターン）のシミュレーションを行った。このとき、遅延回路１４ａ〜１４ｄとして、例えば図４（ｂ）に示した２ビット移相器を適用した。また、光源部１６２ａ〜１６２ｄとして、例えば図３に示したＥＡ−ＤＦＢレーザを適用し、IEEE802.3ba規格の1.3um帯、25Gbps×４波で光変調させた。

図５は、４つの光源部のうちの１つの光源部における電気信号波形のシミュレーション結果を説明するための図であって、（ａ）は遅延量＝０ｐｓのとき、（ｂ）は遅延量＝５ｐｓ（1/８ビット）のとき、（ｃ）は遅延量＝１０ｐｓ（１/４ビット）のとき、を示す。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）において、横軸は時間、縦軸は変調器に印加される電圧（電気信号）を示している。

図５に示すように、同図（ｂ）および（ｃ）の電圧波形は、同図（ａ）に示したものよりも、アイ開口度およびアイＳ/Ｎがともに改善されている。したがって、本実施形態の光送信器１の光送信モジュール１６から出力される光送信波形（アイパターン）も改善される。

図６は、図５に示したシミュレーション結果時において、遅延回路によってチャネルのスキューを調整した場合の光送信波形のシミュレーション結果を例示してある。図６において、横軸は遅延量、縦軸はアイ開口度またはアイＳ／Ｎを示している。

図６に示したシミュレーションの例では、遅延量＝１０ｐｓのときに、光送信波形が最良の状態に改善されていることがわかる。このような遅延量によって、あらかじめ設定されたチャネルまたは全てのチャネルの光送信波形を最良の状態に整形（最適化）することが可能になる。

なお、図５では、光源部１６２ａ〜１６２ｄとして、ＥＡ−ＤＦＢレーザを適用してシミュレーション結果を得たが、図２に示した直接変調ＤＦＢレーザ４００を適用するようにしてもよい。この場合、直接変調ＤＦＢレーザ４００には電流が与えられることになるので、遅延回路１４ａ〜１４ｄによって電流の伝搬時間を遅延させることにより、遅延量＝０ｐｓのときよりも電流波形（アイ開口度、アイＳ/Ｎ）が改善し、結果として、本実施形態の光送信器１の光送信モジュール１６から出力される光送信波形も改善される。

以上説明したように、本実施形態の光送信器１によれば、遅延回路１４ａ〜１４ｄは、複数の伝送線路を伝搬する複数の電気信号間の伝搬遅延時間差を調整するように構成されている。このため、光源部１６２ａ〜１６２ｄに与えられる電気信号の波形が、遅延量＝０ｐｓの従来の光送信器よりも改善し、光送信波形が良くなるように調整することができる。

なお、本実施形態の具体的な構成は、変更することもできる。

（実施例１）
遅延回路１４ａ〜１４ｄの位置は、自由に設定することができる。例えば、図１において、遅延回路１４ａ〜１４ｄは、光送信モジュール１６内部の電気信号が伝搬する伝送線路中に設けるようにしてもよい。この場合、光送信モジュール１６と、レーザ駆動回路１３１ａ〜１３１ｄなどの回路が搭載されているプリント基板とは、フレキシブル基板を介して接続されることが多いので、遅延回路１４ａ〜１４ｄは、上記フレキシブル基板上に形成することが考えられる。

（実施例２）
図１に示した光送信器１において、光源部１６２ａ〜１６２ｄ（図２の直接変調ＤＦＢレーザまたは図３のＥＡ−ＤＦＢレーザ）の後段に、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を備えるようにしてもよい。ＳＯＡは、各光源部１６２ａ〜１６２ｄ（図２の直接変調ＤＦＢレーザまたは図３のＥＡ−ＤＦＢレーザ）の後段に１つずつ（右計４つ）設けるようにしてもよいし、光合波器１６３の後段に１つだけ設けるようにしてもよい。

（実施例３）
以上では、光源部の数、および光源部の数と光合波器の数との比（図１では、４対１）の変形例について言及しなかったが、光源部の数または／および光合波器の数は、変更することもできる。例えば、光源部の数は、２台、８台、１６台またはそれ以上としてもよい。また、光源部の数と光合波器の数の比は、２対１、８対１、１６対１としてもよい。

なお、光合波器１６３は、ＩｎＰやＳｉといった半導体で構成してもよいし、石英系導波路（ＰＬＣ: Planar Lightwave Circuit）で構成してもよい。また、光合波器１６３としては、例えば多モード干渉（ＭＭＩ: Multi-Mode Interference）型のものでもよく、方向性結合器、Ｙ分岐、マッハ・ツエンダ、誘電体多層膜フィルタ、アレイ導波路格子型、偏波ビームコンバイナまたはそれらの組み合わせでも構わない。

（実施例４）
上述した遅延回路の数は、あらかじめ設定されたチャネルまたは全てのチャネルの光送信波形を最良の状態に整形（最適化）することができれば、変更してもよい。

（実施例５）
光源部１６２ａ〜１６２ｄのレーザ波長は、例えば、(1)1294.53nm〜1296.59nm、(2)1299.02〜1301.09nm、(3)1303.54nm〜1305.63nm、(4)1308.09nm〜1310.19nm、の範囲に設定され、変調レートは25Gbpsまたは28Gbpsに設定されるが、これに限られない。例えば、レーザ波長は、1.5μｍ帯でも、他の波長でも構わない。

また、図１に示した光源部は、25Gbps×4波長＝100Gbpsで用いられるが、例えば50Gbps×8波長＝400Gbps、25Gbps×16波長＝400Gbps、10Gbps×10波長＝100Gbpsで使用しても構わない。

以上、実施形態について詳述してきたが、実施形態の中で個別に述べた変形例等は実施形態の光送信器１と組み合わせて実施することができる。

１ 光送信器
１１ ＰＣＳ／ＰＭＡ部
１２ａ〜１２ｄ，１６１ａ〜１６１ｄ 伝送線路
１３１ａ〜１３１ｄ レーザ駆動回路
１４ａ〜１４ｄ 遅延回路
１５ａ〜１５ｄ 伝送線路
１６ 光送信モジュール
１６２ａ〜１６２ｄ 光源部
１６３ 光合波器

Claims (4)

1. 複数の光源部と、
   前記複数の光源部の各々に対応して設けられる複数の伝送線路と、
   前記複数の伝送線路のうちの少なくとも一つの伝送線路を伝搬する電気信号の伝搬時間を遅延させる遅延回路と
   を含み、
   前記遅延回路は、前記複数の伝送線路を伝搬する複数の電気信号間の伝搬遅延時間差を調整するように構成されている
   ことを特徴とする光送信器。
2. 前記光源部は、直接変調ＤＦＢレーザ、またはＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザであることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
3. 前記複数の光源部を駆動させるための複数の駆動回路をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光送信器。
4. 前記遅延回路は、低域通過フィルタ、または移相器であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光送信器。