JP2022523584A - 光送信機 - Google Patents

Abstract

送信されることになる波長分割多重（ＷＤＭ）光信号の各波長のために１つの、一組の光入力、光入力からの光を変調する各光入力に対するグラフェン電界吸収型変調器（ＥＡＭ）、および各グラフェン電界吸収型変調器を駆動する１つまたは複数のドライバを含む、光ファイバのための波長分割多重。ドライバは、データ入力、データ入力からのデータをローパスフィルタリングしてローパスフィルタデータを提供するローパスフィルタ、ならびにローパスフィルタデータおよびバイアス電圧の組合せで各グラフェン電界吸収型変調器を駆動する出力を有する。バイアス電圧は、例えばグラフェン電界吸収型変調器の伝送が増加すると調光に対する実効屈折率が減少し、逆もまた同様である領域へグラフェンＥＡＭをバイアスし、調光にプリチャープしてファイバにおける分散を補償するように構成される。

Description

本発明は、一般に、例としてＣＷＤＭ（低密度波長分割多重）のための光送信機に関する。

低密度波長分割多重（ＣＷＤＭ）は、１つのシングルモードファイバにおいて多波長光信号の結合を可能にする技術である。ＣＷＤＭにおいて「低密度」とは２０ｎｍのチャネル間波長分離を指す。したがって４つの波長が８０ｎｍを、そして８つの波長が１６０ｎｍを占める。ＣＷＤＭを使用して、各々２５Ｇｂ／ｓで信号を搬送する波長を集約できる。したがって４つの波長の結合は１００Ｇｂ／ｓ（４ｘ２５Ｇｂ／ｓ）光リンクに相当する。

実用システムでは、各波長信号はＰＡＭ４形式（２ビットを符号化する４レベルのパルス振幅）に従って変調され得るため、波長当たり、データレートは５０Ｇｂ／ｓであり得る。例えば４つの波長があれば実効データレートはそれ故２００Ｇｂ／ｓ（４ｘ５０Ｇｂ／ｓ）であり得る。

帯域幅要件の増大により４００Ｇｂ／ｓ、８００Ｇｂ／ｓおよび１６００Ｇｂ／ｓでの伝送が望ましくなる。第１段階の４００Ｇｂ／ｓまでは８波長ＣＷＤＭ、ＣＷＤＭ８で実現できる。ＣＷＤＭ８仕様は、ＣＷＤＭ８マルチソースアグリーメントコンソーシアム（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｃｗｄｍ８－ｍｓａ．ｏｒｇ／）によって公表された２つの文書（非特許文献１および非特許文献２）に記載されている。ＣＷＤＭ８仕様の１つの重要な側面は、８つの波長１２７１～１４１１ｎｍによってカバーされる大きなスペクトル範囲である。

４００Ｇ ＣＷＤＭ８ ＭＳＡ ２ｋｍ技術仕様書 ４００Ｇ ＣＷＤＭ８ ＭＳＡ １０ｋｍ技術仕様書 「Ｃｈｉｒｐ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ－ｇｒａｐｈｅｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ」、Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ２５、Ｓｏｒｉａｎｅｌｌｏら、１９３７１～１９３８１（２０１７）

１つの態様では光ファイバに沿って波長分割多重（ＷＤＭ）信号を送信するためのＷＤＭ光送信機が記載される。ＷＤＭ光送信機は、送信されることになるＷＤＭ光信号の各波長のために１つの、一組の光入力（送信機の内部であり得る）を備え得る。ＷＤＭ光送信機は、光入力からの光を変調する各光入力に対するグラフェン電界吸収型変調器（ＥＡＭ）を更に備え得る。ＷＤＭ光送信機は、各グラフェン電界吸収型変調器を駆動する１つまたは複数のドライバを更に備え得るが、ＥＡＭ間でドライバが共有されてもよく、または各ＥＡＭがそれぞれのドライバを有してもよい。同または各ドライバは、データ入力、データ入力からのデータをローパスフィルタリングしてローパスフィルタデータ（ここではバンドパスフィルタデータを含み得る）を提供するローパスフィルタ、およびグラフェン電界吸収型変調器を駆動する出力を有し得る。光入力からの調光は光合波器で結合されて結合ＷＤＭ多重光出力を提供し得る。

ドライバは、ローパスフィルタデータ、すなわちローパスフィルタデータから導出される変動電圧駆動、およびバイアス電圧の組合せ、例えば和でＥＡＭを駆動するように構成される。バイアス電圧は、グラフェン電界吸収型変調器の伝送が第１の方向に変化すると調光に対する実効屈折率が第２の、反対方向に変化し、逆もまた同様である領域へグラフェン電界吸収型変調器をバイアスするように構成され得る。

このように調光に第１の符号を有するチャープが加えられており、光ファイバを通した調光の伝送による第２の、反対符号のチャープを補償できる。

一部の実装例ではバイアス電圧は、グラフェン電界吸収型変調器の伝送が増加するとグラフェン電界吸収型変調器を通過する調光に対する実効屈折率が減少し、逆もまた同様である領域へグラフェン電界吸収型変調器のグラフェンをバイアスするように構成される。このように調光に正のチャープが加えられており、光ファイバを通した調光の伝送による負のチャープを補償できる。

光の変調は典型的に一形態のパルス変調から成っており、データは或る範囲の種類のコードのいずれか、例えばＮＲＺ（非ゼロ復帰）コードによって光のパルスに符号化される。変調はＰＡＭ（パルス振幅変調）、例えば２ビットで４つの振幅レベルを符号化するＰＡＭ４から成ってもよい。

下記するように、ＥＡＭを通って進行するパルスが正のチャープ（瞬時周波数が時間と共に増加）を得る。一部の実装例では、加えられるチャープの量は、駆動のピーク間振幅を制御することによって制御可能である。追加的または代替的に、加えられるチャープの量を制御するためにＥＡＭへのバイアス電圧が制御されてもよい。実装例では、グラフェンの光電子特性の結果として大きな正かつほぼ線形のチャープになることができる。信号の正のプリチャーピングは、典型的にシリカから成るが、必ずしもそうとは限らない（以下参照）、光ファイバの分散、例えば異常分散を補償する。実質的にパルスは、分散が補償される距離に時間的に集束され得る。

プリチャーピングは符号間干渉（ＩＳＩ）も低減させる。これを変調器に加える前にデータをローパスフィルタリングすることにより、ＩＳＩを低減させるのを相乗的に助長する。

グラフェンＥＡＭの広帯域幅応答は、例えばＣＷＤＭ８またはＣＷＤＭ１６システムにおける応用のために広範囲の波長を多重化するのを促進する。

一部の実装例では波長の１つまたは複数のための信号経路におけるグラフェン電界吸収型変調器と直列にグラフェン位相変調器が光学的に結合される。これは、正のチャープの量およびそれ故に、分散が補償されるファイバの長さを増加させることができる。

光信号を位相変調するために、バイアス電圧は、グラフェン位相変調器が変動印加電圧に関して透明なままである領域へそのグラフェンをバイアスするように選ばれる。ここで「実質的に透明なままである」とは、透明性が位相変調駆動電圧と共に３ｄＢを超えて、好ましくは１ｄＢ以下で変動しないはずであることを意味するとみなされてよい。好ましくはバイアス電圧は、グラフェンから成る変調器の部分が３ｄＢより小さい、好ましくは１ｄＢより小さい光信号の関連波長での損失を有するはずであるようにグラフェン位相変調器をバイアスするべきである。グラフェン位相変調器に対するドライバは、バイアス電圧およびローパスフィルタデータから導出される変動電圧駆動の組合せで変調器を駆動するように構成され得る。ローパスフィルタデータから導出される変動電圧駆動が調光に対するグラフェン位相変調器の実効屈折率を変化させる一方で、バイアス電圧は、透明性が実質的に一定である領域に変調器を維持する。

一部の実装例では、反直観的に調光に負のチャープを加えるためにグラフェン電界吸収型変調器と直列にグラフェン位相変調器が光学的に結合される。これは、上記したようにグラフェン位相変調器をバイアスするが、ローパスフィルタデータの逆形態から成る変動電圧駆動で位相変調器を駆動することによって達成できる。これは、例えば、データを逆にして次いで逆データをローパスフィルタリングすることによって、またはＥＡＭのためのローパスフィルタデータを逆にすることによって導出され得る。この変動駆動（位相変調器のいずれかの構成用）のピーク間レベルがＥＡＭのために使用されるそれと通常異なるであろうことが認識されるであろう。データの逆形態を使用してグラフェン位相変調器を駆動することによって、ＥＡＭによって適用される実効位相が増加しているとき、グラフェン位相変調器によって適用されるそれは減少していることになり、逆もまた同様である。したがってグラフェン位相変調器はＥＡＭのそれと反対のチャープを加えることになる。これは、ＥＡＭによって加えられる過剰な正のチャープ寄与を補償するために使用できる。

一部の実装例では過剰な正のチャープ補償は波長依存である。光ファイバの異常分散は典型的に波長依存であり、したがってＷＤＭ信号の異なる波長（すなわち波長帯域）に異なるプリチャーピングが適用され得る。プリチャーピングの量は、ＥＡＭのピーク間（Ｖｐｐ）駆動電圧を調整することによって調整され得るが、したがって一部の実装例では波長の異なるものに異なるＶｐｐが印加され得る。追加的または代替的に波長（帯域）の一部に追加の負のチャープが加えられ得る。例えば光入力の選択されたものだけに、負のチャープを加えるグラフェン位相変調器が設けられてよい。

一部の実装例では、負のチャープを加えるグラフェン位相変調器は、光ファイバの異常分散（屈折率が波長と共に増加）が正常分散（屈折率が波長と共に減少）に変化する限界波長未満の波長に適用される。ＣＷＤＭ１６の場合、負のチャープを加えるグラフェン位相変調器は、約１３００ｎｍ未満の波長、例えば１２９１ｎｍ、１２７１ｎｍに対して使用されてよい。

一部の実装例では、各光入力からの光路は、光入力を２つ以上の分岐へ分割する光分割器、分岐における光を変調する各分岐に対するグラフェン電界吸収型変調器、および分岐からの調光を結合する光結合器を備える。これは、ＰＡＭ４、ＰＡＭ８またはより高変調を実装するために使用され得る。したがって１つまたは複数のドライバは、データ入力からのデータの２つ以上のビットの群、例えばＭＳＢ（最上位ビット）およびＬＳＢ（最下位ビット）ビットで分岐におけるグラフェン電界吸収型変調器を駆動するように構成され得る。

分岐の１つまたは各々が移相器（９０度位相遅れなど）または１つの分岐（もしくは一組の分岐）の偏光をその他に関して回転させる他の素子を有し得る。このように２つの分岐の光に直交直線または円偏光が与えられ得る。これは、それが各分岐／偏光の位相およびチャープ特性をそれらの結合後に保持できるので有利である。偏光回転素子、すなわち１つの分岐（または一組の分岐）の偏光をその他に関して回転させる機能は結合器の一部であり／それによって実装され得る。

一般に各光入力は、それぞれの光分割器を有し得る。しかしながら光学偏光回転子および光結合器は、ＷＤＭ波長ごとに別々にまたは一組もしくは全てのＷＤＭ波長のために実装され得る。

前者の場合、光入力の各々は、それぞれの光学偏光回転子および光結合器を有してよい。送信機は、光結合器からの光出力を多重化する光波長合波器を更に備え得る。

後者の場合、同じ偏光またはビット重要性（例えばＬＳＢ、ＭＳＢ）に対応する分岐が最初に光ＷＤＭ多重によって結合されてよく、次いで２（以上の）組の多重、直交偏光信号が結合されて調光出力を提供する前に、結合波長の一方（または両方）が偏光回転されてよい。

したがって送信機は、各光入力からの分岐の第１の分岐を結合する第１の光結合器および各光入力からの分岐の第２の分岐を結合する第２の光結合器を備え得る。第１および第２の光結合器は、それぞれの第１および第２の光波長合波器を備え得る。第１の光波長合波器の出力に共用光学偏光回転子が結合され得る。送信機は、第１の光波長合波器の偏光回転出力を第２の光波長合波器の出力と結合して結合波長分割多重出力を提供する第３の光結合器を更に備え得る。

一部の実装例ではグラフェン電界吸収型変調器およびグラフェン位相変調器は１つまたは複数のグラフェン層を備え得る。これらは、例えば導波路を伝搬する光のエバネッセント波がグラフェンに結合するように導波路のコアに隣接して導波路と集積され得る。一部の実装例では導波路は、基板上の、例えば矩形横断面を有する長手構造を備え得、そしてグラフェン層がこの構造より上におよび／もしくは下に、または潜在的にスロット導波路に類似して広間隔か、例えばグラフェンが一体導波路構造を効果的に形成するのにちょうど十分な狭間隔かの一対のそのような導波路構造間に設けられ得る。同構造は、例えばシリコン、シリカ、窒化シリコンまたはポリマーから製作され得るが、導波路は導電（例えばＳｉ）であり、グラフェンは薄酸化物層によって導波路から電気絶縁され得る。１つまたは２つ（以上）のグラフェン層が利用され得るが、グラフェンは単層または多層でありかつ任意選択でドープされ得る。

一部の実装例ではグラフェン電界吸収型変調器およびグラフェン位相変調器は、同じ導波路の異なる長手領域に、例えば覆ってまたは下方に設けられるグラフェンによって実装され得る。これらの２つ（以上）の領域におけるグラフェンに、グラフェン電界吸収型変調器およびグラフェン位相変調器を実装するそれぞれの電極接続が設けられ得る。

一部の実装例ではグラフェン電界吸収型変調器およびグラフェン位相変調器は、１つまたは複数のグラフェン層の１つへの駆動電気接続および第２のまたは対向電極接続を更に備え得る。対向電極接続は、導波路への（例えばシリコン導波路に対する）電気接続および／または１つもしくは複数のグラフェン層の第２への電気接続および／またはデバイスの更なる金属層への電気接続から成り得る。例えば１つの実装例ではシリコン導波路（Ｓ）、１０ｎｍ ＳｉＯ_２絶縁層（Ｉ）およびグラフェン層（Ｇ）が、ＳおよびＧへの接続があるＳＩＧコンデンサを形成する。

一部の実装例では波長分割多重（ＷＤＭ）光送信機は、ＤＦＢ（分布帰還）レーザなどの光信号源を含み、そして一組の光入力は、レーザから信号を受信する内部入力から成り得る。

関連態様では、正常分散に対するプリチャープを提供するように構成されるグラフェンベースの変調器が提供される。したがって、グラフェン位相変調器と直列に光学的に結合されるグラフェン電界吸収型変調器を備える光変調器が提供され、グラフェン電界吸収型変調器は変調光信号に正のチャープを加え、そしてグラフェン位相変調器は、変調光信号に負のチャープを加えるように構成される。

更なる関連態様では、光ファイバに沿って波長分割多重（ＷＤＭ）信号を送信する方法が提供される。方法は、送信のためのデータを入力するステップを含み得る。任意選択で方法は、データをローパスフィルタリングするステップ（ここではデータをバンドパスフィルタリングすることを含み得る）も含み得る。方法は、次いでそれぞれのグラフェン電界吸収型変調器（ＥＡＭ）を使用してＷＤＭ光信号の各波長（帯域）をローパスフィルタデータの一部分で変調し得る。変調するステップは、グラフェン電界吸収型変調器が、変調波長に（正の）プリチャープを加えて光ファイバにおける（負の）チャープを補償する領域へ各グラフェン電界吸収型変調器をバイアスすることを含み得る。

方法は、グラフェン位相変調器を使用して波長の１つまたは複数を位相変調して波長に更なるチャープを加えるステップを更に含み得る。更なるチャープは、分散補償されたファイバの長さを延ばすためには正でよく、あるいはＥＡＭからの過剰な正のチャープを低減させるためおよび／または波長の１つもしくは複数でファイバの正常分散を補償するためには負でよい。方法は、変調している波長に従って各ＥＡＭの駆動も調整し得る。したがって一般に方法は、ＷＤＭ信号の異なる波長に対して異なるプリチャープ、正もしくは負かつ／または量的に異なる、を提供して、特に異なる波長でファイバの異なる分散を補償するステップを含み得る。

方法は、ＷＤＭ光信号の各波長を２つ以上の分岐へ分割するステップを更に含み得る。変調するステップは、それぞれのグラフェン電界吸収型変調器を使用して各分岐を変調し、そして各分岐における調光を結合することを含み得る。方法は、分岐からの結合調光が２つの直交偏光の光から成るように分岐（各波長に対する）の１つの（におけるまたはからの）光の偏光をその他に関して回転させるステップを更に含み得る。偏光回転は、１つまたは複数の光合波器を使用してＷＤＭ信号の波長を結合する前または後に行われ得る。

更なる関連態様では、上記した方法を実装するための手段を備える光伝送システムが提供される。

上記のデバイスおよび方法の一部の実装例では光ファイバはフォトニック結晶光ファイバから成ってよい。これは、特にファイバを構成する材料の吸収が大きなスペクトル領域で動作するときに、例えば１６１０ｎｍより大きな波長に対して、動作波長範囲を拡大するのを助長できる。

本発明のこれらおよび他の態様が、ここで添付の図を参照しつつ、単に例として更に記載されることになる。

先行技術によるグラフェンＥＡＭおよびＥＡＭの伝送特性を示す図である。 先行技術による、図１のＥＡＭのチャープ関連特性を例示する図である。 先行技術による、図１のＥＡＭのチャープ関連特性を例示する図である。 先行技術による、図１のＥＡＭのチャープ関連特性を例示する図である。 ＣＷＤＭ光送信機例を示す図である。 図３の送信機における光変調システムの詳細を示す図である。 より長いファイバ長のための図４の光変調システムのバージョンを示す図である。 異常および正常分散を両方とも補償するための図４の光変調システムのバージョンを示す図である。 ＰＡＭ４光変調システムを示す図である。 図７のＰＡＭ４光変調システムの詳細例を示す図である。 図５の光変調システムに基づく図８のＰＡＭ４光変調システムのバージョン例を示す図である。 図６の光変調システムに基づく図８のＰＡＭ４光変調システムのバージョン例を示す図である。 図７～図１０の光変調システムを実装するためのＣＷＤＭ光送信機の一例を示す図である。 図１１のＣＷＤＭ光送信機の変更を示す図である。

図中、類似の要素が類似の参照数字によって示される。

電界吸収型変調器を実現するためにグラフェンを使用できる。非特許文献３には、グラフェンベースの電界吸収型変調器による１５５０ｎｍでのファイバ分散の補償が記載されている。分散補償は８４０ｐｓ／ｎｍ程であり、２ｋｍおよび１０ｋｍ長のリンクに対する要件をかなり越えていた。

図１は、同論文から取られており、１００μｍ長の単層グラフェン（ＳＬＧ）領域を持つＳＬＧオンシリコン導波路ＥＡＭ（製作の詳細については同論文を参照）の１５５０ｎｍでのシミュレートされた実効屈折率変化（左手の軸）および伝送（右手の軸）を示す。

差込図はＥＡＭ１００を通る鉛直横断面を示しており、シリコン導波路１０４が形成されるシリカの領域１０２を画定するシリコンオンインシュレータ基板を備えている。導波路の上に薄酸化物層１０６が設けられ、そして酸化物の上にグラフェンの単層１０８が設けられる。グラフェンおよびシリコンに対して電気接続１１０ａ，ｂが作られる。上から見ると、グラフェンは、この例では導波路に沿って長手方向に１００μｍにわたって延びる。

同じ構造を使用して、下記する位相変調器を実装できる。

使用に際して、ＥＡＭのグラフェン層は、図１の陰影部分によって例示されるように、そのフェルミ準位がパウリブロッキング状態より大きい、すなわち（この例では）０．４ｅＶより大きいように駆動される。図１の水平な電圧軸はディラック点電圧、この例では約－７Ｖに対するものであり、したがってＥＡＭは、例えば約－１Ｖでバイアスされ得る。（ディラック点電圧はドーピングに依存する：典型的に一部の内部ドーピングがあり、外部ドーピングもあり得、そして実効ドーピングは印加バイアスによって変動され得るが、ディラック点ではキャリア密度はゼロに近く、抵抗率は最大である）。

図１から見て取ることができるように、この領域で動作する場合、グラフェンＥＡＭに電圧が印加されると、伝送が増加する一方で光学モードの実効屈折率は減少する。それ故パルスが作成されると、変調器の出力における光学ビームの位相はパルステールにおいてよりパルスピークにおいて小さい。位相を微分することによって瞬時周波数偏移が決定され得るが、図２ａは１つのパルス例を例示して、左手の軸に振幅（電力）および右手の軸に瞬時周波数偏移（連続曲線が実験データであり、点はシミュレーションを表す）を示す。ほぼ線形であるパルス中の正の（上向きの）周波数チャープがあることを見て取ることができる。

チャープは、以下の方程式によって与えられるチャープパラメータＣによって定義できる：

式中Ｌは素子長（この例では１００μｍ）である。屈折率の変化Δｎ_ｍａｘは、変調器を最小吸収に駆動するときに得られる実効屈折率の最大変動であり、それは、例えば図１からまたは曲線を図２ａの理論バージョンに適合させる（Ｓｏｒｉａｎｅｌｌｏら、同書に記載されている）ことによって決定でき、そしてλ_０は中心波長である。この例ではＥＡＭは２．７Ｖのピーク間電圧で駆動され、チャープパラメータＣ＝０．２７。

図２ｂは別のパルスを例示して、左手のグラフで振幅（左手の軸）および位相（右手の軸）を、ならびに右手のグラフで振幅（電力）およびチャープ（瞬時周波数シフト）を示す。位相時間プロファイルが振幅エンベロープと同じ形状および期間を有するが、符号が逆であることを見て取ることができる。

図２ｃは、ＥＡＭに対するピーク間印加電圧に対して左手の軸にチャープの大きさ（単位：ＧＨｚの周波数の変化）を例示する。図１に戻って参照すると、約０．４５ｅＶより上でグラフェンの伝送がほぼ一定にとどまる一方で位相が略線形に減少することを見て取ることができる。したがってピーク間電圧を変えることによって、位相変化およびそれ故にチャープの程度を変動させることができる。

図３を参照すると、これは、各波長のために１つの、一組の光入力３０２と、各光入力に対するグラフェンＥＡＭ３０４と、ＥＡＭからの変調器光を結合する合波器と、シングルモード光ファイバなどの光ファイバに結合するために適切であり得る光出力３０８とを備えるＣＷＤＭ１６光送信機３００の一例を示す。合波器３０６は、集積光学または自由空間微小光学を使用して実装され得る。

ＥＡＭの各々のために実質的に同じグラフェンＥＡＭ設計が使用され得るため、したがって製造を容易にする。これは、グラフェンＥＡＭが広範囲の波長にわたって動作することができるからである。電圧調整可能なチャープにより、同様に広範囲の波長にわたって光ファイバ色分散を補償することができる。例えば、ＣＷＤＭ８の場合ファイバ分散は－５ｐｓ／（ｎｍ ｋｍ）から＋７ｐｓ／（ｎｍ ｋｍ）にわたり、そしてＣＷＤＭ１６では１６１０ｎｍでの最大分散が約＋２０ｐｓ／（ｎｍ ｋｍ）である。図３の設計は１６１０ｎｍ以上の、例えばかなり越えて２０００ｎｍまたは２１００ｎｍより大きな波長まで適応することができる。標準シングルモードファイバのゼロ分散波長は約１３１０ｎｍであり、分散ペナルティはこの波長からの距離の増加と共に増加する。

参考として、ＣＷＤＭ１６のための２組の中心波長の例が以下のＴａｂｌｅ １（表１）およびＴａｂｌｅ ２（表２）に与えられる：

Ｔａｂｌｅ １（表１）中の星印は、異常よりむしろ正常分散がある波長を示す。

図４は、図３のシステムの光変調の詳細を例示する。したがって、グラフェンＥＡＭ３０４は、電気ローパスフィルタ４０２（ＬＰＢ＝ローパスバンド）を介してデータ入力４００によって駆動される。データ４００は、例えばＰＡＭ４またはＮＲＺデータを提供する変調器４０４によって提供される。ローパスフィルタ４０２は符号間干渉（ＩＳＩ）を低減させる。ＥＡＭ３０４にバイアス電圧を提供するＤＣバイアス電圧発生器は、図４に示されない。バイアス電圧は、例えばローパスフィルタ４０２とＥＡＭ３０４との間のバイアスティー（図示せず）を介して印加され得る。

ローパスフィルタ４０２は、伝送のボーレートの０．４から０．８倍の範囲にカットオフ周波数を有し得る。グラフェンＥＡＭの長さおよび駆動信号の振幅（またはピーク間電圧）は、補償されることになる光ファイバの長さに従って調整され得る。設計目標は、グラフェンＥＡＭによって加えられる正のチャープおよびファイバの設計長でファイバによって加えられる負のチャープの和が変調器光の波長でゼロであるべきであるということである。

上記したようなシステムは、例えばＣＷＤＭ８かＣＷＤＭ１６かに関して２ｋｍまたは１０ｋｍの光ファイバ長のために使用され得るが、ＮＲＺかＰＡＭ４変調が利用され得る。例えば、ＣＷＤＭ１６送信機は、各光チャネル（波長）を１００Ｇｂ／ｓで動作させ得るため、したがって１．６Ｔｂ／ｓの総生データレートを提供し得る。

図５は、更なる長さのファイバを補償することができる図４のシステムの変形例である光変調システム５００を示す。前記したものに類似の要素が類似の参照数字によって示される。

図５の配置では、追加の正のチャープを提供するために、グラフェンＥＡＭ３０４の前か後かにＥＡＭと直列にグラフェン位相変調器５０２が結合される。位相変調器は、図４におけるのと同じローパスフィルタデータ信号によって駆動されるが、異なってバイアスされる。より詳細には、位相変調器は、陰影領域を越えて、図１の右手の部分へバイアスされる。これは、グラフェン集積導波路を通る伝送がほとんど変動しない所であるが、実効屈折率（すなわち位相）が、例えばほぼ線形に例示されるように依然として著しく変動する所である。バイアス配置は図５に示されないが、図１によって示されるように適切なバイアス電圧を設定することによって達成できる。例えば大きな負のバイアス電圧、すなわちグラフェンＥＡＭに対して使用されるバイアス電圧より負であるバイアス電圧が利用され得る。

例えば、一部の実装例ではグラフェンＥＡＭは、前記したように－１Ｖでバイアスされ得るが、これに対して、ＥＡＭへの電圧が－１Ｖと正のチャープの所望の程度に依存している或る正の電圧との間で変動するように、データ変調が加えられてもよい。対照的にグラフェン位相変調器は、バイアスにデータ信号が加えられたときにグラフェン位相変調器への電圧が－１Ｖより小さいままであり、そしてグラフェンがその透明領域にとどまるように、－１Ｖよりはるかに小さなバイアス電圧でバイアスされ得る。図５に例示されるようにＥＡＭにも位相変調器にも同じ信号が提供されるが、これらのデバイスのために提供される信号は異なるピーク間振幅（の他にデバイスに印加される異なるバイアス電圧）を有し得る。

図５の配置は、振幅変調に実質的に影響することなく調光に更なる正のチャープを加え、それ故より大きな長さにわたって光ファイバの異常分散を補償することができる、すなわちそれは、ファイバによって加えられるより大きな程度の負のチャープを補償することができる。

図６は、異常および正常分散を両方とも補償するために適切な光変調システム６００のバージョンを示す。再び、前記したものに類似の要素が類似の参照数字によって示される。したがって、図５の配置におけるように、グラフェンＥＡＭ３０４と直列にグラフェン位相変調器５０２が光学的に結合されかつ前記したようにバイアスされる。

しかしながら図６において位相変調器５０２は、第２のローパスフィルタ６０４を介してデータの逆バージョン６０２によって駆動される。図１に戻って参照すると、データ電圧に伴う屈折率変化（位相）の傾きは、それ故グラフェンＥＡＭと比較して効果的に逆にされる。したがってグラフェン位相変調器５０２は信号に負のチャープを加える。この負のチャープは、グラフェンＥＡＭおよび／または光ファイバにおける正常分散によって導入される過剰な正のチャープを補償するために使用され得る。再び、設計目標は、全チャープ、すなわちＥＡＭからの正のチャープ、位相変調器からの負のチャープおよび光ファイバからの正または負のチャープがファイバの設計長さでゼロであるべきであるということである。

図７は、各々前記したような一対のグラフェンＥＡＭデバイスを備える、ＣＷＤＭ１６送信機のための一組のＰＡＭ４変調器７０１、例では１６の変調器を示す。これらは、図３の一般配置に、波長（帯域）ごとに１つ使用され得る。

より詳細に各光変調システムは、光信号を２つの分岐へ、例えば比率ｘ：（１－ｘ）、実装例では１：２（ＰＡＭ４のため）で分割する光電力分割器７０２を備える。各分岐はそれぞれのグラフェンＥＡＭ７０６ａ，ｂを含み、そして２つの分岐からの調光は光電力結合器７０８において、例えばＰＡＭ４（ＭＳＢ分岐がＬＳＢ分岐の信号レベルの２倍搬送する）のために等比で結合される。改良された実装例では、分岐の一方が９０度偏光回転素子７０４（光遅延または波長板など）を含んでおり、これは結合器７０８の一部でもよい。結合データレートは各別々のＥＡＭのデータレートの２倍である。電気信号はビットの対へ分類され得るが、対の最下位ビットがＥＡＭの一方を変調してよく、対の最上位ビットが他方のＥＡＭを変調してよい。

一部の実装例では、偏光回転子および結合器は、少なくとも直交光学偏光をサポートする２つの入力導波路および少なくとも２つの直交光学偏光モードをサポートする１つの出力導波路を有する集積偏光回転子および結合器で実現される。偏光回転子および結合器は、同じ光学偏光の２つの入力において光をとり、そして出力において同じ導波路上であるが各々異なる直交偏光の２つの結合を提供する。

例えば一部の実装例では偏光回転および結合器の機能性は、二重偏光格子結合器を用いて出力光ファイバ上に得られ得る。二重偏光格子結合器は、２つの入力導波路、およびチップ（結合器）の平面への法線に関して角度をなして向けられるチップからの光出力を有し得る。出力は、導波路上に形成される格子を備え得る。入力導波路における光は次いでチップから２つの直交偏光へ分離され得る。

図８は、一対の偏光シフタ７０４ａ，ｂを略例示するために、図７の配置のより詳細な例を示す。図８は、ＭＳＢおよびＬＳＢドライバ７１０ａ，ｂ（実際にはこれらは一般に複合ドライバの一部である）およびそれぞれのローパスフィルタ７１２ａ，ｂも例示し、調光出力７１４を提供する。システムの他の態様は前記した通りであり、特にグラフェンＥＡＭには、ファイバによって導入される（ファイバの長さに従う）チャープを補償するチャープが設計される。

図９は、図５を参照しつつ前記したように一対の移相器９００ａ，ｂを統合する図８のシステムのバージョンを示し、波長（帯域）に対して追加の正のチャープを提供する。

図１０は、図６を参照しつつ前記したようにそれぞれの電気ローパスフィルタ１０００ａ，ｂを介して逆ＭＳＢおよびＬＳＢデータから駆動される一対の同様のグラフェンベースの移相器を含む図８のＰＡＭ４光変調システムのバージョンを示す。これは負のチャープを提供して、光ファイバのための関連波長（帯域）でＥＡＭおよび／または正常分散からの過剰な正のチャープを補償する。

図７～図１０の光システムを参照すると、一部の実装例では各波長での調光は波長合波器において結合され得る。他の実装例では光システムは、ＬＳＢおよびＭＳＢ分岐が別々に保たれ、そして結合し、任意選択で１つの分岐の偏光をその他に関して回転させる前にそれぞれの波長合波器において共に別々に多重化されるように変更される。

したがって図１１を参照すると、これは、各波長のためのＭＳＢおよびＬＳＢ分岐が波長分割多重前に結合されるＣＷＤＭ光送信機１１００の一例を示す。したがってＣＷＤＭ光送信機１１００は、例えば図７～図１０に示されるように光電力分割器、ＥＡＭおよび光電力結合器を備えるそれぞれのＰＡＭ４変調器７０１に各々結合される一組の異なる波長の連続波（ＣＷ）光源１１０２、例えばダイオードレーザを備える。各変調器７０１からの光は、波長分割多重調光出力１１０６を提供する波長合波器１１０４に提供される。実装例ではＭＳＢおよびＬＳＢ偏光は直交であり、波長合波器１１０４は２つの直交偏光をサポートする。

図１２は、ＭＳＢおよびＬＳＢ分岐が、１つの分岐の偏光をその他に関して回転させ、そして結合する前に別々に多重化されるＣＷＤＭ光送信機１２００の一例を示す。これは、直交偏光をサポートする波長合波器の必要を回避できる。図７～図１０のいずれかの光変調／補償システムは、図１２の光送信機に使用されるが、各分岐の波長を結合前に多重化するように変更できる。

ＣＷＤＭ光送信機１２００は、２つの出力をｘ：（１－ｘ）比、例えば２：１（ＭＳＢ：ＬＳＢ）で提供するそれぞれの光電力分割器１２０４に各々結合される一組の連続波（ＣＷ）光源１２０２、例えばダイオードレーザを備える。各電力分割器からのＭＳＢ出力（実線）が、前記したようにグラフェンＥＡＭデバイス１２０６に提供され、同様に各電力分割器からのＬＳＢ出力（破線）がグラフェンＥＡＭデバイス１２１０に提供される。グラフェンＥＡＭデバイス１２０６、１２１０は、前記したように任意の補償および電気フィルタリングと関連して、それぞれＭＳＢドライバおよびＬＳＢドライバと称され得る。変調ＭＳＢ波長は第１の波長合波器１２０８に提供され、そして変調ＬＳＢ波長は第２の波長合波器１２１２に提供される。各光合波器は各波長の同じ偏光成分を結合する－例えば各波長に対して２つの直交偏光を前提とすると、送信機は各偏光モードに対して１つの合波器を有する。波長多重後に２つの合波器１２０８、１２１２の各々からの調光出力は、調光出力１２１６を持つ前記したような偏光回転子および結合器１２１４（これは２つのデバイスまたは結合デバイスでもよい）に提供される。したがって、例えば変調ＭＳＢおよびＬＳＢ波長成分が直交偏光を有するように、一組の多重波長の偏光がその他に関して回転され得る。

図４から図１０の光変調システムは、前記したようにＰＡＭ４変調を利用してデータレートを２倍にする一方で異常および／または正常分散の補償を可能にするＣＷＤＭ８またはＣＷＤＭ１６光送信機と共に使用され得る。したがって図８～図１０の光変調システムは送信機の各波長（帯域）に対して、または選択された波長だけで実装され得る。

一部の実装例では負のチャープの付加による正常分散の補償は短波長、例えば１３１０ｎｍ未満の波長に対してのみ、例えばＣＷＤＭ１６の１２７０ｎｍおよび１２９０ｎｍ波長に対して利用される。したがって、例えば、図６および図１０の光変調システムは波長の一部、例えば１３１０ｎｍ未満の２つの波長だけに実装され得る。

一部の実装例ではグラフェン電界吸収型アレイは、例えば直線導波路のアレイを備える。各導波路は、例えば０．１ｍｍ程の、例えば範囲０．０５～０．１５０ｍｍの長さを含み、グラフェンで覆われて電気変調される、または何らかの他の方法で導波路のエバネッセント波領域にグラフェンを有する。各導波路には波長特定のバイアス電圧および駆動信号が与えられ得るが、駆動信号はアレイにおける全ての変調器に対して振幅が等しくてよい。グラフェンＥＡＭが１６１０を越えて動作できるので、アレイは例えば１６のＣＷＤＭ波長またはより多くの波長のために構成され得る。動作の全範囲は２１００ｎｍを越えて拡張され得る。

電界吸収型変調器の一部は、ファイバの負の色分散に相当する波長（例えば１２７０ｎｍおよび１２９０ｎｍ）を動作させ得る。グラフェンで覆われる同じ導波路の２つの導波路長およびグラフェンの２つの長さ上の２つの駆動電圧およびバイアスの組合せが与えられ得る。第１の長さが電界吸収型変調器を動作させる役目をする一方で、第２の長さも電界吸収型変調器であるが、吸収変調の付加的な寄与を最小化するためにグラフェンの透明性の近くでまたは透明性領域において動作されるものである。第２の電界吸収型変調器の役割は、信号に負のチャープを誘発することであり得る。負のチャープを得るために第２の変調器は、第１の変調器のドライバに対して逆転したドライバ信号で駆動され得る。

記載されたシステムの帯域幅を増加させることが一般に望ましい。１つの手法は各送信機の帯域幅を増加させることであろうが、これは実際には困難であり、結果として伝搬距離短縮になり得る。別の方法は、上記したように、異なる波長の数を増加させて波長を単一のファイバへ結合することであろうが、シリカファイバはＬ帯域（１５６０～１６１０ｎｍ）を越えて損失が増していく。したがって一部の実装例ではシステムはグラフェン変調器およびフォトニック結晶光ファイバの組合せを利用して、１６００ｎｍより上、例えば２０００ｎｍ以上で有用な性能を提供する。

おそらく多くの他の有効な代替例が当業者に想到されるであろう。本発明が記載された実施形態に限定されず、本明細書に添付される請求項の趣旨および範囲内にある当業者に明らかな変更を包含することが理解されるであろう。

１００ ＥＡＭ
１０２ シリカの領域
１０４ シリコン導波路
１０６ 薄酸化物層
１０８ グラフェンの単層
１１０ａ、１１０ｂ 電気接続
３００ ＣＷＤＭ１６光送信機
３０２ 光入力
３０４ グラフェンＥＡＭ
３０６ 合波器
３０８ 光出力
４００ データ入力
４０２ ローパスフィルタ
４０４、４０４’ ドライバ
５００ 光変調システム
５０２ グラフェン位相変調器
６００ 光変調システム
６０２ 逆データ
６０４ ローパスフィルタ
７０１ ＰＡＭ４変調器
７０２ 光電力分割器
７０４ ９０度偏光回転素子
７０４ａ、７０４ｂ 偏光シフタ
７０６ａ、７０６ｂ グラフェンＥＡＭ
７０８ 光電力結合器
７１０ａ、７１０ｂ ＭＳＢ／ＬＳＢドライバ
７１２ａ、７１２ｂ ローパスフィルタ
７１４ 調光出力
９００ａ、９００ｂ 移相器
１０００ａ、１０００ｂ 電気ローパスフィルタ
１１００ ＣＷＤＭ光送信機
１１０２ 連続波光源
１１０４ 波長合波器
１１０６ 波長分割多重調光出力
１２００ ＣＷＤＭ光送信機
１２０２ 連続波光源
１２０４ 光電力分割器
１２０６ グラフェンＥＡＭデバイス
１２０８ 第１の波長合波器
１２１０ グラフェンＥＡＭデバイス
１２１２ 第２の波長合波器
１２１４ 偏光回転子および結合器
１２１６ 調光出力

Claims (21)

1. 光ファイバに沿って波長分割多重（ＷＤＭ）信号を送信するためのＷＤＭ光送信機であって、
   送信されることになるＷＤＭ光信号の各波長のために１つの、一組の光入力と、
   前記光入力からの光を変調する各光入力に対するグラフェン電界吸収型変調器（ＥＡＭ）と、
   各グラフェン電界吸収型変調器を駆動する１つまたは複数のドライバと、
   を備え、
   前記１つまたは複数のドライバが、データ入力、前記データ入力からのデータをローパスフィルタリングしてローパスフィルタデータを提供するローパスフィルタ、ならびに前記ローパスフィルタデータおよび、前記グラフェン電界吸収型変調器の伝送が第１の方向に変化すると調光に対する実効屈折率が第２の、反対方向に変化し、逆もまた同様である領域へ前記グラフェン電界吸収型変調器をバイアスするように構成されるバイアス電圧の組合せで各グラフェン電界吸収型変調器を駆動する出力を有し、
   前記調光に第１の符号を有するチャープを提供して、前記光ファイバを通した前記調光の伝送による反対の第２の符号を有するチャープを補償する、ＷＤＭ光送信機。
2. 前記グラフェン電界吸収型変調器の前記伝送が増加すると前記調光に対する前記実効屈折率が減少し、逆もまた同様であり、かつ前記第１の符号が正であり、前記第２の符号が負であって、前記調光に正のチャープを提供して、前記光ファイバを通した前記調光の伝送による負のチャープを補償する、請求項１に記載の送信機。
3. 前記グラフェン電界吸収型変調器と直列に光学的に結合される少なくとも１つのグラフェン位相変調器を更に備え、前記１つまたは複数のドライバが、前記ローパスフィルタデータおよび、前記グラフェン位相変調器が実質的に透明なままである一方で前記ローパスフィルタデータが前記調光に対する前記グラフェン位相変調器の実効屈折率を変化させる領域へ前記グラフェン位相変調器をバイアスするように構成されるバイアス電圧の組合せで前記少なくとも１つのグラフェン位相変調器を駆動するように構成される、請求項１または２に記載の送信機。
4. 前記グラフェン電界吸収型変調器と直列に光学的に結合される少なくとも１つのグラフェン位相変調器を更に備え、前記１つまたは複数のドライバが、前記データ入力からの逆ローパスフィルタデータおよび、前記グラフェン位相変調器が透明なままである一方で前記ローパスフィルタデータが前記調光に対する前記グラフェン位相変調器の実効屈折率を変化させる領域へ前記グラフェン位相変調器をバイアスするように構成されるバイアス電圧の組合せで前記少なくとも１つのグラフェン位相変調器を駆動するように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の送信機。
5. 前記光入力からの光を変調する各光入力に対するグラフェン電界吸収型変調器（ＥＡＭ）および前記光入力の選択されたものだけに対する前記グラフェン電界吸収型変調器と直列に光学的に結合される前記グラフェン位相変調器を備える、請求項４に記載の送信機。
6. 前記１つまたは複数のドライバが、異なる波長に対する前記グラフェン電界吸収型変調器を異なる駆動電圧で駆動し、異なる波長の前記調光に異なる正のプリチャープを提供して、波長に伴う前記光ファイバにおける分散の変化を整合させるように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の送信機。
7. 前記光入力の各々に対して、前記光入力を２つ以上の分岐へ分割する光分割器、前記分岐における光を変調する各分岐に対するグラフェン電界吸収型変調器、および前記分岐からの前記調光を結合する光結合器を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の送信機。
8. 前記１つまたは複数のドライバが、前記データ入力からのデータの２つ以上のビットの群で前記分岐における前記グラフェン電界吸収型変調器を駆動するように構成される、請求項７に記載の送信機。
9. 前記分岐からの結合調光が２つの直交偏光の光から成るように前記分岐の１つまたは複数の光の偏光を回転させる光学偏光回転子を更に備える、請求項７または８に記載の送信機。
10. 前記光入力の各々がそれぞれの光学偏光回転子および光結合器を有し、前記送信機が、前記光結合器からの光出力を多重化する光波長合波器を更に備える、請求項９に記載の送信機。
11. 前記光入力が共用光学偏光回転子を有し、前記送信機が、各光入力からの前記分岐の第１の分岐を結合する第１の光結合器および各光入力からの前記分岐の第２の分岐を結合する第２の光結合器を更に備え、前記第１および第２の光結合器が、それぞれの第１および第２の光波長合波器を備え、前記共用光学偏光回転子が前記第１の光波長合波器の出力に結合され、前記送信機が、前記第１の光波長合波器の偏光回転出力を前記第２の光波長合波器の出力と結合して結合波長分割多重出力を提供する第３の光結合器を更に備える、請求項９に記載の送信機。
12. 前記グラフェン電界吸収型変調器およびグラフェン位相変調器の一方または両方が、導波路と集積される１つまたは複数のグラフェン層、前記１つまたは複数のグラフェン層の１つへの駆動電気接続および対向電極接続を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の送信機。
13. 前記ＷＤＭ光信号がＣＷＤＭ８またはＣＷＤＭ１６光信号である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の送信機。
14. グラフェン位相変調器と直列に光学的に結合されるグラフェン電界吸収型変調器を備え、前記グラフェン電界吸収型変調器が、変調光信号に正のチャープを加えるように構成され、前記グラフェン位相変調器が、前記変調光信号に負のチャープを加えるように構成される、光変調器。
15. 光ファイバに沿って波長分割多重（ＷＤＭ）信号を送信する方法であって、
    送信のためのデータを入力するステップと、
    前記データをローパスフィルタリングするステップと、
    それぞれのグラフェン電界吸収型変調器（ＥＡＭ）を使用して前記ＷＤＭ光信号の各波長をローパスフィルタデータの一部分で変調するステップと、
    を備え、前記変調するステップが、
    前記グラフェン電界吸収型変調器が、変調波長にプリチャープを加えて前記光ファイバにおけるチャープを補償する領域へ各グラフェン電界吸収型変調器をバイアスすることを含む、方法。
16. グラフェン電界吸収型変調器を使用して前記波長の１つまたは複数を位相変調して前記波長に更なるチャープを加えるステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
    方法。
17. 前記更なるチャープが、前記グラフェン電界吸収型変調器の正のチャープを補償するために負のチャープである、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ＷＤＭ光信号の異なる波長に対して異なるプリチャープを提供するステップを含む、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記ＷＤＭ光信号の各波長を２つ以上の分岐へ分割するステップを更に含み、前記変調するステップが、それぞれのグラフェン電界吸収型変調器を使用して各分岐を変調すること、および各分岐における調光を結合することを含み、前記方法が、前記分岐からの結合調光が２つの直交偏光の光から成るように前記分岐の１つの光の偏光をその他に関して回転させるステップを更に含む、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 請求項１５から１９のいずれか一項の方法を実装するための手段を備える光伝送システム。
21. 前記光ファイバがフォトニック結晶光ファイバから成る、請求項１から１４のいずれか一項に記載の送信機、または請求項１５から１９のいずれか一項に記載の方法、または請求項２０に記載のシステム。

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