JP2018113644A - 光送信装置、光変調器モジュール、及び光伝送システム - Google Patents
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Abstract
Description
この光送信装置は、駆動部101と、MZ光変調器102とを備えて構成されている。駆動部101は、入力電気データ列の構成ビットであるMSB,LSBのバイナリ信号を増幅して出力するCMOSインバータであるMSBドライバ111及びLSBドライバ112を有している。MZ光変調器102は、一端がDC光の入力部、他端が変調光の出力部とされており、一対の光カプラ113,114間で分岐する一対の光導波路であるアーム115,116を有している。
φ(t)=21・MSB(t)+20・LSB(t)
このφ(t)より、変調信号は、0,1,2,3の4値となる。MZ光変調器102は、アーム115,116内の位相変化を光強度変化に変化させる機能を持つ。そのため、結果として得られる出力光信号は、φ(t)に応じた4値の強度変調信号(PAM4)となる。
τ≒(1.5L+Ls)・ng/c (L:第1位相シフタ長、Ls:分離領域長、ng:光モードの群屈折率、c:光速度)
L=500μm、Ls=25μm、ng=4.0としたときには、τ=10p秒となる。
図2のように、0,1,2,3のレベル遷移時の立ち上がりのタイミングが、MSB遷移とLSB遷移とで信号遅延分だけずれている。この影響により、PAM4の信号波形における3つのアイパターンにおいて共通な実効的アイ開口幅が狭まり、光受信側における判定・復号の際に問題となる。このような不具合を解消するためには、駆動部側でMSBドライバとLSBドライバとの間に光信号遅延に相当する遅延を与える必要がある。しかしながら、製造ばらつきの影響を抑制しつつ常に必要な遅延量を与えるためには、遅延量可変機構及びモニタ機構等が必要であり、装置規模の増大化及びこれに起因する消費電力の増加を招来するという問題がある。
本実施形態では、1シンボル当たり2ビット以上、ここでは2ビットで符号化された多値変調信号を生成するPAM4の光送信装置を例示する。図3は、第1の実施形態による光送信装置の概略構成を示す模式図である。
この光送信装置は、駆動部1、MZ光変調器2、及び容量部3を備えている。
MZ光変調器2は、一端がDC光の入力部、他端が多値光信号の出力部とされており、入力側の光カプラ13で分岐して出力側の光カプラ14で光結合する一対の光導波路であるアーム15,16を有している。アーム15には第1位相シフタ17aが、アーム16には第2位相シフタ17bがそれぞれ装荷されている。本実施形態では、位相シフタ17a,17bは、同一のサイズ及び材質とされており、それぞれ分割されていない単一セグメントの一本の位相シフタである。
φ(t)=21・MSB(t)+20・LSB(t)
このφ(t)より、変調信号は、0,1,2,3の4値となる。MZ光変調器2は、アーム15,16内の位相変化を光強度変化に変化させる機能を持つ。その結果として得られる出力光信号は、φ(t)に応じた4値のPAM4となる。
以下、第1の実施形態による光送信装置のより具体的な構成について、諸実施例として説明する。
図4は、第1の実施形態の実施例1による光送信装置の概略構成を示す模式図である。
この光送信装置は、駆動部10、半導体基板であるSi基板上に形成されたMZ光変調器20、容量部30、第1抵抗素子31a及び第2抵抗素子31bを備えている。
図6では、本実施例の光送信装置に1mWのDC光信号を入力した際の光出力を、受光効率1.0A/Wの光検出器及び入力インピーダンス1kΩの受信回路で電気信号に変換した出力波形を示しており、縦軸の1mVは1μWの光信号に相当する。
MSB,LSBのバイナリ信号が合成されて、4値に多値化された出力波形が得られている。特別な遅延調整をすることなく、各データ遷移のタイミングが揃えられており、実効的なアイ開口幅は、図2で示した出力波形に比べて充分広く確保されている。各アイ開口の高さは40mV程度(=40μW程度の光振幅)で等しく、高品質なPAM4の変調光波形が得られている。このときの駆動部10における消費電力は83.9mWであり、極めて低消費電力なPAM4の光送信装置が実現される。
この場合、4値に多重化された光出力が得られるが、3つのアイ開口高さが不均一で中央のアイ高さh_midは上下のアイ高さh_upp,h_lowよりも小さく、復号時に不利な波形となる。また、各遷移の立ち上がり/立下り時間とタイミングが揃わず、特に中央のアイ開口幅は狭まっている。
図8は、第1の実施形態の実施例2による光送信装置の概略構成を示す模式図である。
この光送信装置は、駆動部10、半導体基板であるSi基板上に形成されたMZ光変調器20、容量部30、第1抵抗素子31a及び第2抵抗素子31bを備えて構成されている。第1抵抗素子31a及び第2抵抗素子31bは、共通する一端で接地されている。
位相シフタ32a,32bは、p側及びn側にそれぞれ1つの端子を有している。合成された多値信号はn側端子に入力され、そのDC電位は抵抗素子31a,31bを介してグランド電位に接続されている。p側端子はバイアス回路に接続されVb=1.35Vのバイアス電圧から動作に必要なバイアス電流が供給される。pin構造の位相シフタ32a,32bは、光導波路内に形成されたpin接合ダイオードに順バイアスが印可されてキャリアを蓄積させ、キャリアプラズマ効果により光位相を変化させる。位相シフタ32a,32bは、実施例1のpn型の位相シフタ27a,27bに比べて等価容量CFが極めて大きく、同時に位相変調効率(単位電圧振幅、単位長さで得られる位相シフト量)も極めて大きい。なお、実施例1のpn型の位相シフタ27a,27bでも、順バイアスを印加することにより位相シフタ32a,32bと同様の動作が得られる。
図11では、実施例1と同様に、4値に多重化された主波形が得られており、特別な遅延調整をすることなしに十分なアイ開口幅が確保されている。各アイ開口の高さは130mV程度(=130μW程度の光振幅)以上であり、実施例1に比べて位相シフタ長が短く小型な変調器であるにも関わらず、より振幅が大きく高品質なPAM4の変調光波形が得られている。これは、pin構造の位相シフタ32a,32bの効率が実施例1のpn構造の位相シフタ27a,27bの効率より高いためである。本実施例の駆動部10における消費電力は68.9mWであり、実施例1よりも更に低電力・高効率なPAM4の光送信装置が実現される。これは、pin構造の位相シフタ32a,32bの等価容量CFが容量素子の電気容量に比べて充分大きく、駆動ドライバから見た位相シフタの入力インピーダンスが他方のドライバ側への入力インピーダンス(容量素子を介して他方のドライバを見た入力インピーダンス)よりもはるかに小さく、駆動部10から供給された駆動電流の大部分が位相シフタ32a,32bに流れ込む有効電流となるためである。
図13では、パッケージ基板61上に光変調器チップ62及び駆動部チップ63が実装されている。光変調器チップ62には、実施例1,2から選ばれた1種の光送信装置のMZ光変調器20が集積されている。駆動部チップ63には、当該光送信装置の駆動部10が集積されている。駆動部10とMZ光変調器20とは、例えばハンダバンプ64により電気的に接続されている。ここで、当該光送信装置の容量部30は、光変調器チップ62及び駆動部チップ63のいずれか一方に集積されている。
図14は、第1の実施形態の実施例3による光送信装置の概略構成を示す模式図である。
本実施例では、光信号の直交位相方向(I,Q)毎に4値のレベルを持つ16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)の光変調を実現する光送信装置を例示する。
本実施形態では、1シンボル当たり2ビット以上、ここでは3ビットで符号化された多値変調信号を生成するPAM8の光送信装置を例示する。図15は、第2の実施形態による光送信装置の概略構成を示す模式図である。
この光送信装置は、駆動部1、MZ光変調器2、及び容量部3を備えている。
MZ光変調器2は、一端がDC光の入力部、他端が多値光信号の出力部とされており、入力側の光カプラ13で分岐して出力側の光カプラ14で光結合する一対の光導波路であるアーム15,16を有している。アーム15には第1位相シフタ54aが、アーム16には第2位相シフタ54bがそれぞれ装荷されている。本実施形態では、位相シフタ54a,54bは、同一のサイズ及び材質とされており、それぞれ分割されていない単一セグメントの一本の位相シフタである。
φ(t)=22・bit2(t)+21・bit1(t)+20・bit0(t)
このφ(t)より、変調信号は、0,1,2,3,4,5,6,7の8値となる。MZ光変調器2は、アーム15,16内の位相変化を光強度変化に変化させる機能を持つ。その結果として得られる出力光信号は、φ(t)に応じた8値のPAM8となる。
本実施形態では、第1の実施形態(実施例1〜3を含む)及び第2の実施形態から選ばれた一種の光送信装置(以下、当該光送信装置と言う。)を備えた光変調器モジュールを例示する。
この光変調器モジュールは、モジュール筐体81内に、当該光送信装置及びその制御部82が配置されている。
本実施形態では、第1の実施形態(実施例1〜3を含む)及び第2の実施形態から選ばれた一種の光送信装置(以下、当該光送信装置と言う。)を備えた光伝送システムを例示する。
この光伝送システムは、電子回路チップ91及びSi−集積光回路チップ92を備えており、当該光送信装置及び光受信装置を包含している。
Si−集積光回路チップ92には、当該光送信装置のMZ光変調器97、MZ光変調器97に接続されたレーザ98、及び光検出器99が集積されている。
光受信装置においては、受信多値光信号が光検出器99に入力し、光検出器99で多値電気信号に変換される。この多値電気信号は、受信アンプ95で必要な電圧レベルに増幅され、判定部96で多値電気信号のレベルが判定されて構成ビットごとのバイナリ信号に分解されて、出力電気データ列として出力される。
前記入力電気データ列の構成ビットごとに対応したドライバを有する駆動部と、
第1光導波路及び第2光導波路が出力側で光結合しており、前記第1光導波路に第1位相シフタが、前記第2光導波路に第2位相シフタがそれぞれ設けられた光変調器と、
前記駆動部と前記第1位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第1位相シフタに供給される第1多値信号を生成する第1容量素子と、
前記駆動部と前記第2位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第2位相シフタに供給される第2多値信号を生成する第2容量素子と
を備えたことを特徴とする光送信装置。
前記基板に実装された、前記駆動部が集積された第1チップと
前記基板に実装された、前記光変調器が集積された第2チップと、
を含むことを特徴とする付記1〜6のいずれか1項に記載の光送信装置。
前記筐体内に設けられた、入力光信号及び入力電気データ列から2ビット以上の多値光信号を生成する光送信装置及び前記光送信装置の制御部と
を含む光変調器モジュールであって、
前記光送信装置は、
前記入力電気データ列の構成ビットごとに対応したドライバを有する駆動部と、
第1光導波路及び第2光導波路が出力側で光結合しており、前記第1光導波路に第1位相シフタが、前記第2光導波路に第2位相シフタがそれぞれ設けられた光変調器と、
前記駆動部と前記第1位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第1位相シフタに供給される第1多値信号を生成する第1容量素子と、
前記駆動部と前記第2位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第2位相シフタに供給される第2多値信号を生成する第2容量素子と
を備えたことを特徴とする光変調器モジュール。
2ビット以上の受信多値光信号から出力電気データ列を生成する光受信装置と
を含む光伝送システムであって、
前記光送信装置は、
前記入力電気データ列の構成ビットごとに対応したドライバを有する駆動部と、
第1光導波路及び第2光導波路が出力側で光結合しており、前記第1光導波路に第1位相シフタが、前記第2光導波路に第2位相シフタがそれぞれ設けられた光変調器と、
前記駆動部と前記第1位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第1位相シフタに供給される第1多値信号を生成する第1容量素子と、
前記駆動部と前記第2位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第2位相シフタに供給される第2多値信号を生成する第2容量素子と
を備えたことを特徴とする光伝送システム。
2,20,97,102 MZ光変調器
3,30,84,94 容量部
11,21,111 MSBドライバ
12,22,112 LSBドライバ
13,14,23,24,41,42,113,114 光カプラ
15,16,25,26,43,44,115,116 アーム
17a,27a,32a,54a,117a 第1位相シフタ
17b,27b,32b,54b,117b 第2位相シフタ
18a,19a,28a,29a,55a,56a,57a 第1容量素子
18b,19b,28b,29b,55b,56b,57b 第2容量素子
31a 第1抵抗素子
31b 第2抵抗素子
33 第3抵抗素子
34 第4抵抗素子
40 I変調器
45 90°位相シフタ
50 Q変調器
51 bit0ドライバ
52 bit1ドライバ
53 bit2ドライバ
61 パッケージ基板
62 光変調器チップ
63 駆動部チップ
64 フェルール
65 光ファイバ
71a,74a p-領域
71b,74b p+領域
73 空乏層
72a,75a n-領域
72b,75b n+領域
76 空乏層
81 モジュール筐体
82 制御部
85 Si−MZ光変調器チップ
86 入力光ファイバ
87 出力光ファイバ
117a1,117b1 第1分割位相シフタ
117a2,117b2 第2分割位相シフタ
91 電子回路チップ
92 Si−集積光回路チップ
95 受信アンプ
96 判定部
98 レーザ
99 光検出器
Claims (10)
- 入力光信号及び入力電気データ列から2ビット以上の多値光信号を生成する光送信装置であって、
前記入力電気データ列の構成ビットごとに対応したドライバを有する駆動部と、
第1光導波路及び第2光導波路が出力側で光結合しており、前記第1光導波路に第1位相シフタが、前記第2光導波路に第2位相シフタがそれぞれ設けられた光変調器と、
前記駆動部と前記第1位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第1位相シフタに供給される第1多値信号を生成する第1容量素子と、
前記駆動部と前記第2位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第2位相シフタに供給される第2多値信号を生成する第2容量素子と
を備えたことを特徴とする光送信装置。 - 前記ドライバは、対応する前記ビット番号に応じて出力インピーダンスが重み付けされていることを特徴とする請求項1に記載の光送信装置。
- 前記第1容量素子と並列に前記第1容量素子の重み付けの逆数の重み付けがされた抵抗を有する第3抵抗素子と、前記第2容量素子と並列に前記第2容量素子の重み付けの逆数の重み付けがされた抵抗を有する第4抵抗素子とを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の光送信装置。
- 前記第1位相シフタ及び前記第2位相シフタは、順バイアスが印可されてキャリアが蓄積されることにより、前記容量素子の電気容量よりも大きな電気容量を持つことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光送信装置。
- 前記第1容量素子及び前記第2容量素子は、前記ドライバの非線形性、前記位相シフタの非線形性、及び前記光変調器応答の非線形性を補償して、前記多値光信号のレベル間で均等な間隔が得られるように電気容量が調整されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光送信装置。
- 基板と、
前記基板に実装された、前記駆動部が集積された第1チップと
前記基板に実装された、前記光変調器が集積された第2チップと、
を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の光送信装置。 - 前記容量部は、前記第1チップに集積されていることを特徴とする請求項6に記載の光送信装置。
- 前記容量部は、前記第2チップに集積されていることを特徴とする請求項6に記載の光送信装置。
- 筐体と、
前記筐体内に設けられた、入力光信号及び入力電気データ列から2ビット以上の多値光信号を生成する光送信装置及び前記光送信装置の制御部と
を含む光変調器モジュールであって、
前記光送信装置は、
前記入力電気データ列の構成ビットごとに対応したドライバを有する駆動部と、
第1光導波路及び第2光導波路が出力側で光結合しており、前記第1光導波路に第1位相シフタが、前記第2光導波路に第2位相シフタがそれぞれ設けられた光変調器と、
前記駆動部と前記第1位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第1位相シフタに供給される第1多値信号を生成する第1容量素子と、
前記駆動部と前記第2位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第2位相シフタに供給される第2多値信号を生成する第2容量素子と
を備えたことを特徴とする光変調器モジュール。 - 入力光信号及び入力電気データ列から2ビット以上の送信多値光信号を生成する光送信装置と、
2ビット以上の受信多値光信号から出力電気データ列を生成する光受信装置と
を含む光伝送システムであって、
前記光送信装置は、
前記入力電気データ列の構成ビットごとに対応したドライバを有する駆動部と、
第1光導波路及び第2光導波路が出力側で光結合しており、前記第1光導波路に第1位相シフタが、前記第2光導波路に第2位相シフタがそれぞれ設けられた光変調器と、
前記駆動部と前記第1位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第1位相シフタに供給される第1多値信号を生成する第1容量素子と、
前記駆動部と前記第2位相シフタとの間に電気的に接続されており、前記構成ビットのビット番号に対応して重み付けされた電気容量を有し、前記第2位相シフタに供給される第2多値信号を生成する第2容量素子と
を備えたことを特徴とする光伝送システム。
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