JP2017514385A

JP2017514385A - 通信ネットワークにおいて光を変調する方法

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Publication number: JP2017514385A
Application number: JP2016562529A
Authority: JP
Inventors: アントナ，ジャン−クリストフ; ライエック，パトリシア; ドゥ・バリクール，ギレーム
Original assignee: アルカテル−ルーセント
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2017-06-01
Also published as: EP2933935A1; WO2015158641A1; US20170026133A1; CN106170935A

Abstract

本発明は、第１の強度変調器（１）を用いて光を変調するステップと第２の強度変調器（２）を用いて光を変調するステップとを含み、２つの変調器（１、２）には相互角度位相が適用され、相互角度位相は非直交かつＰＩ／２で分割可能ではない、通信ネットワーク内で光を変調する方法に関する。

Description

本発明は、光通信ネットワークにおける光の変調に関する。

ｘ−ＱＡＭ（直交振幅変調）など、スペクトル効率の良い変調フォーマットは、複素平面全体を活用するコンステレーションに依存する。通常、これらのコンステレーションは、２つの振幅変調を直角位相で用いるか、または位相変調と強度変調の組合せを用いて生成される。これを行うため、高性能なシステムに対しては、マッハツェンダ型変調器が一般的に使用される。ＩｎＰへのモノリシック集積は、こうした複雑な送信機のコスト、電力消費、および設置面積を抑える手段である。しかし、ＬｉＮｂＯ３構造から影響を受けた集積化には、変調速度、光損失、および電力消費の点で、ある程度の限界がある。ＩｎｕｋＫａｎｇは、干渉計配置において短尺の電界吸収型変調器（ＥＡＭ）を用いることにより高度な変調フォーマットを生成する、新たな方法を提案している（Ｉ．Ｋａｎｇ、「Ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔ−ｋｅｙｉｎｇａｎｄｏｎ−ｏｆｆ−ｋｅｙｉｎｇｗｉｔｈｉｍｐｒｏｖｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｕｓｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｍｏｄｕｌａｔｏｒｓｗｉｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔｓ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ、ｖｏｌ．１５、ｎｏ．４、１４６７−１４７３頁、２００７年を参照）。事実、Ｃ．Ｋａｚｍｉｅｒｓｋｉら、「１２．５ＧＢＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆａＮｏｖｅｌＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃ１．５５μｍＢＰＳＫＳｏｕｒｃｅＢａｓｅｄｏｎＰｒｅｆｉｘｅｄＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ」、ＯＦＣ２０１３、Ａｎａｈｅｉｍ、ＵＳＡ、ｐａｐｅｒＯＷ４Ｊ８に示されるように、電界吸収型変調器などの強度変調器は、集積化に関していくらか興味深い可能性を示しており、特にレーザおよび変調器が含まれるときの高ビットレート、低コスト送信機の実現につながり得る。

ある強度変調器は、強度変調フォーマットである、オンオフキーイングの実行を可能にする。変調器にＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）を設けることにより、マルチレベルの強度変調を実行することが可能となるが、スペクトル効率は雑音感度という犠牲の上に成り立つ。１つの軸の正負部分に沿った光を変調するには、位相差がπの２つの強度変調器の組合せが必要となる。その際、２レベルのＢＰＳＫ（２位相シフトキーイング）または２極マルチレベルのＰＡＭ（パルス振幅変調）などの変調フォーマットは、ＤＡＣを備えた変調器を駆動して、出力加算前のπという論理的差動位相シフトを持つ２つの強度変調器から振幅変調を生み出すことによって生成することができる。プレフィックスされた光位相スイッチと組み合わされたＥＡＭの使用は、２８Ｇｂ／ｓのＢＰＳＫを生成するのに使用されている（同原理に基づく、Ｃ．Ｋａｚｍｉｅｒｓｋｉら、「５６Ｇｂ／ｓＰＤＭ−ＢＰＳＫＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｉｔｈａＮｏｖｅｌＩｎＰ−ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＳｏｕｒｃｅＢａｓｅｄｏｎＰｒｅｆｉｘｅｄＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ」、ＩＰＲＭ２０１３を参照）。

位相感応受信機を用いることで、ＢＰＳＫは、２レベルのＯＯＫ（オンオフキーイング）に関して３ｄＢだけ雑音感度を改良することができる。４レベルのＰＡＭに移行すればスペクトル効率は２倍となるが、雑音感度は一定のシンボルレートで７ｄＢだけ劣化してしまう。Ｃ．Ｋａｚｍｉｅｒｓｋｉら、「８０Ｇｂ／ｓＭｕｌｔｉ−ＬｅｖｅｌＢＰＳＫｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｉｔｈａｎＩｎＰＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＳｏｕｒｃｅＢａｓｅｄｏｎＰｒｅｆｉｘｅｄＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ」、ＩＰＲＭ２０１４において、８０Ｇｂ／ｓの４ＰＡＭが実証されている。比較として、標準的なＱＰＳＫ変調は、３ｄＢの雑音感度上昇でスペクトル効率を２倍にすることが可能であるが、直角位相の２つの振幅（すなわち、正と負の変調）を必要とするのが普通である。強度変調器を用いたこの種の変調を達成するため、ある解決策は、位相シフトが４つの変調器、すなわち、一方の実軸の変調には０およびπ、他方の虚軸の変調にはπ／２および３π／２を使用することを含む。よって、この性能は４つの変調器を費やすことで達成される（Ｈ．Ｍａｒｄｏｙａｎら、「ＰＩＣ−ｔｏ−ＰＩＣｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔ１３０Ｇｂ／ｓＢａｓｅｄｏｎａＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＵｓｉｎｇＳｗｉｔｃｈｉｎｇｏｆＰｒｅｆｉｘｅｄＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅｓａｎｄａＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＣｏｈｅｒｅｎｔＲｅｃｅｉｖｅｒ」、ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＯＦＣ２０１４、ＴＨ５．Ｃ．２を参照）。ただし、製造歩留まりを高く保ち、それによりコストおよび設置面積を抑えるためには、１つのチップへ集積する素子の数を極力少なく保つことが重要である。

代替手段には、位相シフトがπ／２となる２つの強度変調器のみを使用することが含まれる。その結果、光は正のｘ軸および正のｙ軸によって区切られた象限において変調される。変調器ごとに２レベル（たとえば０および値ａ）で光を変調すると、４直交強度変調（ＱＩＭ）と呼ばれ得る４シンボルのコンステレーションが得られる。このコンステレーションはＱＰＳＫ（直交位相シフトキーイング）コンステレーションに相当し、ｘ≧０およびｙ≧０を含む象限でシフトされる。このような解決策の欠点は、その性能の低さにある。このフォーマットを用いれば、スペクトル効率は標準的なＱＰＳＫと同じまたはＢＰＳＫの２倍となるが、ＱＰＳＫであれば６ｄＢ／ＢＰＳＫに関しては３ｄＢという感度のペナルティをそれぞれ伴う。この概念は、さらに高い実装ペナルティを伴いつつも、ｘ−ＱＩＭによる解決策にまで容易に拡張することが可能である（たとえば、標準的なＱＰＳＫについては１６ＱＩＭの場合１１．５ｄＢのペナルティであり、これは標準的１６ＱＡＭより４．５ｄＢ悪い）。

Ｉ．Ｋａｎｇ、「Ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔ−ｋｅｙｉｎｇａｎｄｏｎ−ｏｆｆ−ｋｅｙｉｎｇｗｉｔｈｉｍｐｒｏｖｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｕｓｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｍｏｄｕｌａｔｏｒｓｗｉｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔｓ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ、ｖｏｌ．１５、ｎｏ．４、１４６７−１４７３頁、２００７年Ｃ．Ｋａｚｍｉｅｒｓｋｉら、「５６Ｇｂ／ｓＰＤＭ−ＢＰＳＫＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｉｔｈａＮｏｖｅｌＩｎＰ−ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＳｏｕｒｃｅＢａｓｅｄｏｎＰｒｅｆｉｘｅｄＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ」、ＩＰＲＭ２０１３Ｃ．Ｋａｚｍｉｅｒｓｋｉら、「８０Ｇｂ／ｓＭｕｌｔｉ−ＬｅｖｅｌＢＰＳＫｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｉｔｈａｎＩｎＰＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＳｏｕｒｃｅＢａｓｅｄｏｎＰｒｅｆｉｘｅｄＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ」、ＩＰＲＭ２０１４Ｈ．Ｍａｒｄｏｙａｎら、「ＰＩＣ−ｔｏ−ＰＩＣｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔ１３０Ｇｂ／ｓＢａｓｅｄｏｎａＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＵｓｉｎｇＳｗｉｔｃｈｉｎｇｏｆＰｒｅｆｉｘｅｄＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅｓａｎｄａＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＣｏｈｅｒｅｎｔＲｅｃｅｉｖｅｒ」、ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＯＦＣ２０１４、ＴＨ５．Ｃ．２

本発明の目的は、良好または高い変調効率を可能にし、知られている方法やデバイスよりも費用が少なく、設置面積が抑えられ、かつハイスケールな産業プロセスで製造可能な変調方法およびコンポーネントを提案することにある。

かかる目的は、本発明に従って、請求項１に記載の方法および請求項８に記載の光変調コンポーネントを用いることによって達成される。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、図面を参照しつつ行われる以下の詳細な説明の全体を通じて明らかになろう。

本発明の第１の実施形態による変調コンポーネントを示す図である。かかる変調コンポーネントにより実現される処置を示す複素平面の図である。本発明の実施形態による強度変調の一例を示す図である。本発明の実施形態による強度変調の一例を示す図である。本発明の実施形態による強度変調の一例を示す図である。本発明の一実施形態におけるペナルティの進展を角度シフトで表した図である。第２の実施形態による変調コンポーネントによって実現される処置を示す複素平面の図である。

数に制限のある非直交強度変調の組合せ（通常、２つまたは３つの変調）の使用を通じた、複素平面における変調フォーマットを生成する方法が以下で説明される。変調の２つの方向間の角度シフトは、通例、π／２より大きく、７π／１２と１１π／１２の間とすることができる。具体的に関心のある特定の角度シフトは２π／３である。角度の値は重要である。なぜなら、この値が、可能な平均電力と２Ｄコンステレーションにおける２点間の最小距離のトレードオフを変化させるからである。特定タイプの変調はマルチレベルの強度変調の組合せに依存しており、この変調は、直交変調を選択している場合はＱＡＭコンステレーションの各部となるＱＩＭコンステレーションを導く、両方の１次元方向に規則的な隔てられた点を持つ。

図１には、通信ネットワーク光変調コンポーネントを含む、第１の実施形態が示されている。図１に示すように、第１の実施形態には、データが提供される２つの強度変調器１および２と、レーザ３とを使用することが含まれ、各変調は、それらの方向をπ／２およびπとは異なる角度θからシフトする形で組み合わされる（この場合、得られる変調フォーマットは複素平面において１方向のみを活用することになる）。この場合、処置は、変調の複素平面の象限の１つに限定される。より一般には、π／２とは異なり、π／２で分割可能ではない、すなわちπ／２で割り切れない、すなわちπ／２の倍数ではない角度θが好ましい。好ましくは、絶対値で測定される、すなわち正の値によって測定される角度が好ましくはπ／２とπの間で選択される。絶対値が考慮されるが、角度は正または負となり得る。

図２は、強度変調４および５の２つの軸、両方向間の角度θ、およびこれらの変調を組み合わせた状態でカバー可能な複素平面の部分６を示している。

１つの可能な実装形態には、変調４および５の２つの方向間に所望の角度θを設定するためにマッハツェンダ干渉計のような構造が必要となる。干渉計の各アームは少なくとも１つの強度変調器１および２を備え、この２つのアームのうちの少なくとも１つは、位相シフトを提供する１つのデバイスを備える。第２および第１のアーム間の位相シフトの差異は、信号がマッハツェンダ構造の建設的出力ポートにおいて回復された場合は所望の角度θに等しくなり、それ以外の場合はθ±πに等しくなる。

このとき、上記領域６内にコンステレーション点を位置決めするために多数の可能性が利用可能である。コンステレーションの一例は、両方の強度変調に規則的に隔てられたシンボルを有するマルチレベルの強度変調を使用すること含む。得られるコンステレーションは、一方向に引き伸ばされたＱＡＭコンステレーションの一部のように見える。図３ａ−図３ｃは、異なる数のシンボルおよび位相を持つ非直交強度変調（以下、ＮＱＩＭ）のいくつかの例を示しており、「角度−ＮｂシンボルのＮＱＩＭ」で命名され得、たとえば４シンボルのコンステレーションかつ角度が２π／３であれば２π／３−４ＮＱＩＭである。図３ａは２π／３−４ＮＱＩＭを示し、図３ｂは２π／３−６４ＮＱＩＭを示し、図３ｃはπ／３−１６ＮＱＩＭを示す。

本システムはプレフィックスされた光位相スイッチングに基づき純粋な強度変調器の組合せを用いて複素２次元平面における変調フォーマットを生成する。

角度θは性能最適化の一翼を担う。事実、理論上、第１の近似式においてかつ位相感応受信機が与えられた場合、ある変調フォーマットの所与のＢＥＲ（ビット誤り率）に対するＯＳＮＲ（光信号対雑音比）感度は平均信号電力と２つのコンステレーション点間の最小距離の２乗との比率に比例する。

たとえば、このタイプのＮＱＩＭ変調を用いると、２π／３という最適角度が示され得る。その際、複素平面において承認される領域は同複素平面の３分の１であり、同領域を傾斜することは正三角形を通じて達成される。本明細書では、論理的ＯＳＮＲペナルティ（所与の最小シンボル間距離における平均電力の進展に基づく）は、角度θの関数として、４シンボルのコンステレーションに関する図４に示されている。３つの区分ゾーンがペナルティ対角度のカーブにおいて存在する。第１のゾーン１０はπ／３を下回る角度に相当する。第２のゾーン２０はπ／３と２π／３の間の角度に相当し、第３のゾーン３０は２π／３を最小とした２π／３を上回る角度に相当する。

カーブのさまざまな部分を理解するために、コンステレーションのシンボルに戻ることもできる。変調の非直交軸にしたがうと、シンボル００、１０、０１、１１の座標は（０，０）、（ａ，０）、（０，ａ）、（ａ，ａ）である。複素平面の通常の直交軸に沿って投影すると、それぞれ、（０，０）、（ａ，０）、（ａｃｏｓ（θ），ａｓｉｎ（θ））、および（ａ＋ａｃｏｓ（θ），ａｓｉｎ（θ））が得られる。角度θが増加すると、ａ^２＋ａ／２ｃｏｓ（θ）に等しい平均電力は必ず低下し、感度が改善またはペナルティが低下する傾向がある。加えて、角度がπ／３を下回るとき、シンボル間の最小距離はシンボル１０と０１の間の距離である。最小距離は角度が０のときの０から角度がπ／３のときの値まで増加する。このことはまた角度が増加しながらペナルティが低下する結果にもなる。π／３では、最小距離は１０と０１の間の距離であるが、００と１０または００と０１の間の距離でもある（すなわちａに等しい）。このとき、コンステレーションはπ／３という鋭角または正三角形の並置を持つダイアモンド形状をとる。

π／３と２π／３の間の角度が含まれるゾーン２０については、最小距離は一定かつａに等しい、すなわち００と１０の間または００と０１の間の距離である。角度が増加しながらの平均電力の低下による唯一の影響によりペナルティが低下する。２π／３に等しい角度での００と１１の間の距離もまた最低距離ａを達成し、コンステレーションはやはりπ／３の鋭角または正三角形の並置を持つダイアモンド形状をとる。角度の値がより高い場合については、最小距離は００と１１の間の距離であり、これは角度がπに向けて増大するときａから０へ低下する。結果、この領域において、平均電力は低下するにもかかわらずペナルティが増加する。

標準的なＱＰＳＫと比較すると、２π／３４ＮＱＩＭはわずか１．７５ｄＢのペナルティを呈し、２つの強度変調器のみを要求する。４ＱＩＭ（すなわちπ／２−４ＮＱＩＭ）を用いたときの３ｄＢというペナルティまたはπだけシフトされた２つの変調器を用いて達成可能な４ＰＡＭでの４ｄＢというペナルティと比較されたい。より複雑な変調では、π／２という角度に関して２π／３という利益がより重要になる。６４シンボルでは、ＯＳＮＲ感度は１．９ｄＢだけ改善される。通常は生成および検出が困難な（０，０）点をＮＱＩＭフォーマットが含まないということも可能である。一定数の切り取られた輪（すなわち角度制限のため切り取られる）の上のシンボルを優先するものなど、他のいくつかのコンステレーションが検討され得る。輪の量を減らすことはコヒーレント受信機を使用したときの検出アルゴリズムのより容易な収束につながり得る。

別の実施形態によれば、３つの強度変調器が使用される。この実施形態は、４つの強度変調器、または２つの振幅変調器を直角位相で含む既存のＩＱ（同相および直交）変調器を用いた解決策と同様に、コンステレーションのシンボルを任意の場所に存在させ複素平面全体をカバーすることを可能にする。ここでは３つの変調方向ｘ、ｙ、ｚに依拠する。図５に示されるように、ｙ軸はｘ軸から角度θ_１だけシフトされ、ｚ軸は角度θ_２だけシフトされる。θ_２は潜在的にθ_１とは異なる。そのようにすることで、ｘ−ＱＡＭなどの従来のコンステレーションも生成することができる。ただし、送信機が方向ごとに十分な数の強度レベル（たとえば２５６）を生成することができることを前提とする。ある特別な配置ではθ_１＝θ_２＝２π／３となるものと仮定する。この構成は実際に最適なハニカム構造を生み出している。たとえば強度が「ａ」の３つの軸は正六角形のハニカム構造を生み出す。十分な数の強度レベルを用いれば、こうしたハニカムを生み出すことが可能であり、その上でセルの中心または交点にシンボルを置くことが可能である。

これらの実施形態は、１つのチップへのコンポーネントの数を最適化し、それにより変調器や位相シフタを少なくしかつＭＭＩ（マルチモード干渉）を単純なものとすることを可能にしつつ、可能であれば１つの周波数または波長可変レーザと完全に統合された強度変調器のみを用いて高性能を実現することにより、コスト効率の良い送信機の設計を可能にする。

これらの実施形態は強度変調器の数を抑えて２次元の複素平面においてスペクトル的に効率的な変調フォーマットを構築する方法を提供する。強度変調器を用いる既存の最良の解決策が４つの変調器を必要とする一方、１２０°という角度で隔てられた３つの変調器を用いることで最高の性能が達成可能であるため、さらなるエネルギの節約が可能となる。低コストで中程度の性能解決策は角度が９０°とは異なる２つの変調器を用いることで達成可能であり、４シンボルの場合は１．２５ｄＢの、また６４シンボルであれば１．９ｄＢのＯＳＮＲ感度の改善が結果としてもたらされる。従来のＱＰＳＫまたは６４ＱＡＭに対しペナルティはわずか１．７ｄＢおよび３．３ｄＢに過ぎず、角度が９０°であるときの３ｄＢおよび５．２ｄＢという極めて高いペナルティと比較されたい。

このような強度変調器は、たとえば都市圏向けの短距離または相互接続用途となる低コストかつ高ビットレートの送信機を構成するためにレーザと統合されると有利である。

本発明は、限られた数の強度変調器からコスト効率が良くスペクトル効率も良い送信機を作成することを可能にするものであり、またレーザと統合された強度変調器を備えるインタフェースを実現するために有益なものでもある。

Claims

通信ネットワーク内で光を変調する方法であって、第１の枝路上で第１の強度変調器（１）を用いて光を変調するステップと、第２の枝路上で第２の強度変調器（２）を用いて光を変調するステップとを含み、第１および第２の枝路は互いに並列であり、強度変調器（１、２）には相互角度位相シフト（θ）が適用され、相互角度位相シフト（θ）は非直交かつＰＩ／２で分割可能ではないことを特徴とする、方法。
相互角度位相シフト（θ）は絶対値でＰＩ／２とＰＩの間で厳密に構成される、請求項１に記載の方法。
相互角度位相シフト（θ）は絶対値で７ＰＩ／１２と３ＰＩ／４の間で構成される、請求項１に記載の方法。
相互角度位相シフト（θ）は絶対値で２ＰＩ／３にかなり等しい、請求項１に記載の方法。
第３の強度変調器を用いて光を変調するステップを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
第３の強度変調器には絶対値で７ＰＩ／１２と３ＰＩ／４の間で構成される第１の強度変調器（１）を基準にした角度位相シフト（θ_２）が適用される、請求項５に記載の方法。
第３の強度変調器には絶対値で２ＰＩ／３にかなり等しい第１の強度変調器（１）を基準にした角度位相シフト（θ_２）が適用される、請求項６に記載の方法。
光変調コンポーネント（１、２）であって、第１の強度変調器（１）が設置される第１の枝路と、第２の強度変調器（２）が設置される第２の枝路とを備え、第１および第２の枝路は互いに並列であり、強度変調器（１、２）には相互角度位相シフト（θ）が適用され、相互角度位相シフト（θ）は非直交かつＰＩ／２で分割可能ではないことを特徴とする、光変調コンポーネント（１、２）。
第１および第２の強度変調器（１、２）が組み込まれた集積回路を備える、請求項８に記載の光変調コンポーネント（１、２）。
相互角度位相シフト（θ）は絶対値でＰＩ／２とＰＩの間で厳密に構成される、請求項８または９に記載の光変調コンポーネント（１、２）。
相互角度位相シフト（θ）は絶対値で７ＰＩ／１２と３ＰＩ／４の間で構成される、請求項８から１０のいずれか一項に記載の光変調コンポーネント（１、２）。
相互角度位相シフト（θ）は絶対値で２ＰＩ／３にかなり等しい、請求項８から１１のいずれか一項に記載の光変調コンポーネント（１、２）。
第３の強度変調器を備える、請求項８から１２のいずれか一項に記載の光変調コンポーネント（１、２）。
レーザコンポーネントを備える、請求項８から１３のいずれか一項に記載の光変調コンポーネント（１、２）。
請求項８から１４のいずれか一項に記載の光変調コンポーネント（１、２）を備える、通信ネットワーク。