JP4422651B2 - 帯域幅条件が緩和された光変調器、およびその動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、データ通信のための光変調器に向けられ、より詳細には、帯域幅条件が緩和された光変調器、およびその動作方法に向けられる。

光ファイバの周囲に構築された光伝送システムは、デジタル・データの広帯域通信に広く使用されるようになった。振幅シフト・キーイング（ＡＳＫ）は、デジタル・データを、光ファイバによって伝達される光パルスに変換するのに広く用いられている変調技術である。伝送されるデジタル・データのビット毎に時間スロットが定められる。光パルスは、「０」ビットに対応する時間スロットではなく、「１」ビットに対応する時間スロットを通じて生成される。光学系において、ＡＳＫは、しばしば非ゼロ復帰（ＮＲＺ）伝送形式である。したがって、ＡＳＫはＮＲＺ−ＡＳＫと呼ばれることもある。

差分位相シフト・キーイング（ＤＰＳＫ）は、使用されつつある競合変調技術である。ＤＰＳＫの符号体系は、位相シフトを番号に割り当てる。再び時間スロットが定められるが、ＡＳＫと異なり、光パルスは各時間スロットを通じて生成される。各時間スロットにおける光パルスは、符号体系の関数として前の時間スロットにおける光パルスから位相シフトされて、送信機から受信機にデジタル・データを伝送する。ＤＰＳＫは、ＡＳＫより変調および復調が複雑であるが、光学的信号対雑音比（ＯＳＮＲ）がより高く、長距離の光伝送システムに極めて有利であることが証明されている。ＤＰＳＫは、ＮＲＺ伝送形式でありうる。したがって、ＤＰＳＫは、ＮＲＺ−ＤＰＳＫと呼ばれることもある。

選択された形式がＡＳＫであるか、ＤＰＳＫであるかにかかわらず、光担持体を変調しなければならない。典型的には光担持体を変調するように選択された装置は、マッハ・シェンダ変調器（ＭＺＭ）である。当業者がよく知っているように、ＭＺＭは、それぞれの末端で結合された一対の導波管アームを有する。光担持体は、ＭＺＭに入り、それらの導波管アーム間で分割される。導波管アームに連結された電極は、光担持体を変調するデジタル・データを運ぶ駆動信号を受信する。電極は、光担持体がＭＺＭの出力端で再結合すると、その結果生じる重なりが所望の変調光パルストレインを発生させるように、導波管アームの屈折率を変化させる。

ＭＺＭは、特定の駆動信号を受信し、特定の切換応答時間で切り替わるように設計される。切換応答時間は、それらが発生することができる光パルストレインの帯域幅の上限を定める。より高い帯域幅の光パルストレインが望まれる場合は、より高速に設計されたＭＺＭが必要であることは当業者にとって絶対的常識である。

残念ながら、ＭＺＭを速く切り替わるように設計すれば、より多くの電力が消費されることになる。光伝送システムにおける消費電力の低減は、特に長距離システムについては重要な設計目標である。厄介なことに、ＭＺＭの消費電力の問題は、将来的に光パルストレインの帯域幅が大きくなるにつれて悪化することになる。
よって、当該技術分野で必要とされているのは、より速い切換応答時間を有するが、それに伴い切換により多くの電力を必要としないＭＺＭである。

従来技術は、特定のＭＺＭが、特定の駆動信号に応答して特定の切換応答時間で切り替わるという考え方に基づいている。より速く切り換えたい場合は、より速く切り替わるように設計されたＭＺＭに代えなければならない。

所定のＭＺＭが、設計された切換速度より基本的に速くそれを切り換える、その切換電圧より高い電圧を有する駆動信号によって駆動される場合は、非線形的に応答を開始する。ＤＰＳＫ伝送には狭すぎる帯域幅を有するＭＺＭを「増速駆動」させて、十分な帯域幅を達成でき、さらに、そうでなければその代わりに必要とされるより高い帯域幅のＭＺＭより必要な電力を小さくすることができる。しかし、ＭＺＭは、ＡＳＫ伝送の場合にのみ増速駆動され、成功もごく限られたものであった。

本発明は、ＭＺＭの応答の非線形は、ＡＳＫ伝送に影響するよりはるかに強く影響すること、およびＭＺＭの増速駆動は、ＭＺＭの応答の線形を低下させることを認識している。その結果、ＭＺＭを増速駆動させることによって、ＤＰＳＫ伝送に対して、ＭＺＭ出力の質を劇的かつ予想を超えて高めることができる。本発明は、ＭＺＭ応答を非線形的に高めるためにＭＺＭに対する駆動電圧を高くしなくてもよいという認識を利用することもできる。例えば、３０ＧＢ／ｓのＭＺＭで、４０ＧＢ／ｓの伝送速度を達成することができるが、本発明は、その代わりに２０ＧＢ／ｓのＭＺＭを使用することを可能にする。また、ここで、３０ＧＢ／ｓのＭＺＭに使用された同じ駆動電圧を使用して、２０ＧＢ／ｓのＭＺＭを増速駆動することが可能である。駆動電圧を高くしなくてもよい。

一態様において、本発明はＭＺＭを提供する。一実施形態において、ＭＺＭは、電極に結合され、駆動信号を運び、ＭＺＭの通常の駆動電圧を少なくとも約５％上回るレベルに設定された電圧を有するＤＰＳＫ駆動信号を電極に供給するように構成されたＭＺＭ駆動回路を含む。

他の態様において、本発明は、それぞれの末端で結合された第１および第２の導波管アームと、それに連結された電極とを有するＭＺＭを駆動させる方法を提供する。一態様において、該方法は、（１）駆動信号を運び、ＭＺＭの通常の駆動電圧を少なくとも約５％上回るレベルに設定された電圧を有するＤＰＳＫ駆動信号を電極に供給すること、および（２）その供給によって、ＭＺＭの応答を通常の応答より高くすることを含む。

他の態様において、本発明は、それぞれの末端で結合された第１および第２の導波管アームと、それに連結された電極とを有するＭＺＭを提供する。一実施形態において、ＭＺＭは、電極に結合され、駆動信号を運び、ＭＺＭの通常の駆動電圧を少なくとも約１５％上回るレベルに設定された電圧を有するＤＰＳＫ駆動信号を電極に供給するように構成されたＭＺＭ駆動回路を含む。

当業者が、以下に続く本発明の詳細な説明をより良く理解できるように、本発明の好ましい特徴および代替的な特徴の概要を大まかに説明した。本発明の請求項の主題を成す本発明のさらなる特徴を以下に説明する。本発明の同じ目的を実施するために他の構造を設計または修正するための基礎として、開示された概念および具体的な実施形態を容易に用いることができることを当業者なら理解するはずである。そのような同等の構成は、最も広い形態において、本発明の主旨および範囲を逸脱しないことも当業者なら認識するはずである。
次に、本発明をより完璧に理解するために、添付の図面を併用した以下の説明を参照する。

最初に図１を参照すると、本発明の原理に従って構成された駆動回路を有する、一般に１００で示されるＭＺＭの一実施形態の構成図が示されている。図１において、光路（導波管）は比較的太い線で表され、電路（ワイヤ）は比較的細い線で表されている。矢印は、光または電気の流れを示し、物理的構造を示すものではない。

ＭＺＭ１００は、入力１１０および出力１２０を有する。入力１１０と出力１２０の間には、それぞれの末端で結合された第１および第２の導波管アーム１３０および１４０が存在する。第１および第２の電極１５０および１６０は、それぞれ第１および第２の導波管アーム１３０および１４０に連結される。図１における符号が示すように、非変調連続波光または非変調光パルストレインは、その入力１１０でＭＺＭ１００に入り、分離されて、第１および第２の導波管アーム１３０および１４０内を移動し、再結合して、出力１２０で変調光パルストレインを形成する。

第１および第２の電極１５０および１６０は、それぞれ第１および第２の導波管アーム１３０および１４０の屈折率を変化させるＤＰＳＫ駆動信号を担持する。第１および第２の導波管アーム１３０および１４０の一方または両方の屈折率の変化は、分割した光パルストレインが出力１２０で再結合したときに干渉を生じさせる。再結合した光パルストレインはＤＰＳＫパルストレインであるため、駆動信号はＤＰＳＫ駆動信号と呼ばれる。

ＭＺＭ１００は、ＭＺＭ駆動回路１７０を含む。ＭＺＭ駆動回路１７０は、電極１５０および１６０の少なくとも一方に結合され、デジタル・データを運ぶＤＰＳＫ駆動信号を電極に供給するように構成される。例示された実施形態において、ＤＰＳＫ駆動信号は、ＭＺＭの通常の駆動電圧を少なくとも約５％上回るレベルに設定された電圧を有する。

「レベルに設定される」とは、ＤＰＳＫ駆動信号電圧が、ＭＺＭを「増速駆動」するように意図的に設定されることを意味し、ＤＰＳＫ駆動信号が一時的にその設定点を超えるようにする意図せぬ電圧スパイクまたはエクスカーションの結果ではない。「レベルに設定する」とは、さらに、ＭＺＭ駆動回路１７０における構成要素の変動、または他の意図せぬ、恐らくは寄生的効果に起因する通常は小さい駆動電圧の意図せぬ上昇を包括するものではない。代替的な実施形態において、電圧は、特定の用途に対して求められる応答特性に応じて、通常の電圧を少なくとも約１５％、３０％、５０％、８０％またはそれ以上上回る。

本発明の原理に従って構成されたＭＺＭの構造および機能を大まかに紹介したが、次にＭＺＭの動作の背後のある理論について記載する。
上述したことを補足すると、ＡＳＫ変調およびＤＰＳＫ変調は、高ビット速度光ファイバ通信のための技術的に重要な伝送形式である。ＤＰＳＫは、ＡＳＫと比較して、所定の伝送ビット誤差率に対して、およそ３ｄＢ低い信号対雑音比（ＯＳＮＲ）条件を有することが証明されている。ＤＰＳＫのＯＳＮＲ条件が緩和されていることは、主に、受信機において平行した検出を用いることによるもので、それは、典型的にはＡＳＫに用いられる標準的なシングル・エンド検出と対照的である。その結果、ＡＳＫの代わりにＤＰＳＫを用いることにより、４０ギガビット毎秒（Ｇｂ／ｓ）でも伝送距離の著しい向上を実現することが可能である。

しかし、ＤＰＳＫは、送信機電光変調器に対して厳しい条件を有する。これにより、特に約４０Ｇｂ／ｓの伝送ビット率において、送信機の構成要素のコストが増大しうる。したがって、送信機の成果がシステムに対するチャネル当たりのコスト影響をもたらすため、ＤＰＳＫとＡＳＫの両方に対する送信機性能基準を理解することが重要である。

ここで、ＭＺＭによってもたらされるＮＲＺ−ＡＳＫおよびＮＲＺ−ＤＰＳＫ形式の質を変調器帯域幅の関数と見なすことにする。ビット・パターンのアイ開口の考察に基づく電力推定値は、ＤＰＳＫ伝送形式は、ＡＳＫ形式に比べて基本的により低い変調器帯域幅条件を有することを示す。実際、ＤＰＳＫ形式は、典型的にはＡＳＫ伝送に必要とされるわずか３分の２の帯域幅のＭＺＭを必要とすることが確認されている。また、これらの所見は、その切換電圧の２倍の電圧でＭＺＭを駆動することによって生成されるより高い立体配座ＰＳＫ（例えば差分四相位相シフト・キーイングまたはＤＱＰＳＫ）形式にも同等に適用可能である。

アイ開口は、光ビット列の質の共通の尺度である。当業者は、伝送リンク内の特定のビット誤差率（ＢＥＲ）に対する必要な光学的信号対雑音比（ＯＳＮＲ）と、受信アイ開口との関係を理解している。アイ開口とシステムのＯＳＮＲ条件との関係の性質は、伝送に起因するシステム障害の性質に左右される。アイ開口は、全面的に信頼できるＯＳＮＲ条件の指標ではないが、一般的な信号の質に対する有用な尺度である。

光ファイバ・システムの有限周波数応答は、受信ビット列の質を低下させる、上部および下部データ・レールの広幅化をもたらす。一般に用いられている信号劣化に対する尺度は、実用的な伝送システムにおける所定のＢＥＲに対する必要なＯＳＮＲに大まかに関連づけることが可能である電力ペナルティ（ＰＰ）である。電力ペナルティは以下のように定められる。

上式において、Ｐ_１，０およびＰ’_１，０は、それぞれ「１」および「０」の受信機における特定の基準信号電力レベル、および特定の電力レベルである。括弧内の量は、「アイ開口」としてよく知られており、信号の質に対する便利で基本的な尺度である。推定光学的信号対雑音比は、一般にはＰＰから推定されうる。

次に図２を参照すると、典型的には、アイ開口を求めるのに用いられる電力レベルを定めるのに使用されるアイ・マスクがグラフィカルに示されている。図２において、上部レールＡは、アイ・マスクに交差する最も低い内部の上部アイ・トレースとして定められる。下部レールＢは、タイミング・ウィンドウによって決定づけられる、アイ・マスクに交差する最も高い内部の下部アイ・トレースとして定められる。タイミング・ウィンドウは、受信機決定回路のサンプリングにおける最悪位相不確実性を表す。次いで、式（１）に従って、アイ開口測定値から信号電力ペナルティを推定することが可能である。

式（１）は、信号の電力ペナルティが、ゼロ・レール・レベルＰ_０およびＰ’_０の低下に特に敏感であることを示している。しかし、Ｐ_０は、一般には、ゼロに等しいと想定される。また、式（１）は、電力ペナルティは、電力レベルではなく、データ・レールの電場レベルに比例して変化することを示している。

ＭＺＭの基本的応答、およびそれがどのようにしてＡＳＫ形式を生成するかについて以下に論述する。よって、図３を参照すると、ＭＺＭによる印加電圧に対する余弦電場強度出力応答がグラフィカルに示されている。印加電圧に対する余弦電場出力応答は、電力に対する余弦２乗応答に対応する。その結果、ＭＺＭを駆動して、ＡＳＫビット列を生成するときは、その大きい信号電力応答は、１レールと０レールに対して同様であるが、電場応答はそうではない。具体的には、１レールに対するＭＺＭ電場応答は、非直線性の強い伝達関数の結果である。実際、０レールの電場応答は極めて直線性が強いのに対して、ＭＺ孟冬の０レール部分は、実際には駆動電圧の変化に最も敏感である。対照的に、１レールの電場応答は、変調既往等の最も非直線性の強い部分によって生成され、その結果、入力電圧の変化に対して最小限の感度を有する。図４は、２８ＧＨｚ帯域幅のＭＺＭに対する理論的な周波数応答をグラフィカルに示す図である。

次に図５を参照すると、図４のＭＺＭの有限周波数応答がＡＳＫビット列に与える影響がグラフィカルに示されている。光場の観点から見ると、ＭＺＭの固有の応答限界は、１レールより０レールにより大きな悪影響を与えることは明らかである。したがって、変調器帯域幅が制限されると、ＡＳＫ形式に対して比較的大きい電力ペナルティを生成するようにＭＺＭに前処理を施す。言い換えれば、有限帯域幅のＭＺＭの固有の大きい信号応答は、ＡＳＫ光ビット列の生成に最適ではない。

次に図６を参照すると、図４のＭＺＭの有限周波数応答がＤＰＳＫビット列に与える影響がグラフィカルに示されている。上述したように、ＤＰＳＫは、あらゆる時間スロットに光パルス（エネルギー）を必要とする。情報は、連続するビットの間の光位相変化、または位相の変化の欠如で符号化される。この形式は、ＭＺＭをその伝達関数において１つの最大出力から隣の最大出力に駆動して、その通常の切換電圧２倍、すなわち２＊Ｖｎにするか、またはＭＺＭの通常の駆動電圧を１００％高くすることによって達成されうる。その結果、変調器は、ＭＺＭ伝達関数において、「ゼロ位相」１レールから「１８０度位相」１レールに駆動される。したがって、この状況では、ＭＺＭ伝達関数の終点は、ともにＭＺＭ伝達関数の極めて非直線性の強い部分で終端するため、変調器は、ＭＺＭ帯域幅が減少されると、電力ペナルティ低下の影響を受けにくくなる。言い換えれば、有限帯域幅ＭＺＭの固有の大きい信号応答は、ＤＰＳＫ光ビット列の生成に比較的好適である。本発明は、ＭＺＭの伝達関数の直線性を下げる増速駆動により、この認識を利用することが可能である。

次に図７を参照すると、ＮＲＺ−ＡＳＫ（またはＯＯＫ）ビット列に対する推定電力ペナルティ対変調帯域幅およびドライバ電圧がグラフィカルに示されている。図７では、ＭＺＭ周波数限界を電気的ガウス低域フィルタでシミュレートした。これらのシミュレーションに対する受信機決定回路におけるタイミング・ウィンドウは、ビット速度の約２０％と想定された。

次に図８を参照すると、ＮＲＺ−ＤＰＳＫビット列に対する推定電力ペナルティ対変調帯域幅およびドライバ電圧がグラフィカルに示されている。これら２つのグラフを比較すると、ＤＰＳＫ形式は、ＭＺＭ幅の減少の影響をはるかに受けにくく、ＭＺＭ帯域幅が制限される場合に、ＤＰＳＫの電力ペナルティがＡＳＫに比べてはるかに小さくなることが明確に示される。これらのグラフは、ＤＰＳＫ形式は帯域幅がビット速度の約３５％であるＭＺＭを許容しうるのに対して、ＡＳＫは、帯域幅がビット速度の約５５％のＭＺＭを必要とすることを示している。これらのシミュレーションでは、送信機における帯域幅限界のみがＭＺＭによるものであると想定されることに留意されたい。これらの状況下では、ＤＰＳＫ ＭＺＭは、ＡＳＫ ＭＺＭが、伝送信号において約０．５ｄＢの最大電力ペナルティを有するのに必要とされる帯域幅のおよそ６５％を必要とする。

図７は、また、上記に概略説明した状況下では、ＡＳＫ−ＭＺＭは、その通常のＤＣ駆動電圧の１．１５倍（または１５％増）の電圧で駆動されるのが最適であるのに対して、ＤＰＳＫ−ＭＺＭは、その通常の駆動電圧の１．３倍（または３０％増）の電圧で駆動されるのが最適である。しかし、ＤＰＳＫ−ＭＺＭは、より小さい帯域幅のＭＺＭを必要とする。したがって、より小さい帯域幅の変調器はより小さい駆動電圧を有することを必要とする基本的なＭＺＭ帯域幅と駆動電圧の関係により、ＤＰＳＫ−ＭＺＭに必要とされる駆動電圧は比較的一定になる。表１は、一方が、他方より長いマイクロ波／光相互作用領域を有することを除いては、設計が同一である２つのＭＺＭの推定ＭＺＭ性能特性を示す。この表では、それぞれ４０Ｇｂ／ｓのＤＰＳＫおよびＡＳＫ伝送に対して２０ＧＨｚおよび３０ＧＨｚの帯域幅を有するＭＺＭを想定している。いくつかの他の帯域幅制限構成要素が送信機に想定されているため、これらの具体的な帯域幅は、先述した３５％および０．５５％より大きい。２０ＧＨｚ帯域幅のＭＺＭは、３０ＧＨｚのＭＺＭの駆動電圧より約２０％低い駆動電圧を有するものと推定される。したがって、２０ＧＨｚのＤＰＳＫ−ＭＺＭは、３０ＧＨｚのＡＳＫ−ＭＺＭより高度に増幅駆動される必要があるが、より低い帯域幅の変調器はより低い切換電圧を必要とするため、駆動電圧を著しく変化させる必要はない。

以上より、ＭＺＭが送信機における帯域幅制限構成要素であると想定すれば、ＤＰＳＫ信号に対する信号電力ペナルティは、ビット速度の約３５％である帯域幅を有するＭＺＭを使用することによって、０．５ｄＢ未満に維持されうるのに対して、ＡＳＫ−ＭＺＭは、同様の性能に対してビット速度の５５％の帯域幅を必要とする。ＤＰＳＫ形式は、より小さい帯域幅の送信機を必要とすることを認識することは、高ビット速度システムのＤＰＳＫ構成要素のコストを抑えるのに役立つことになる。

次に図９を参照すれば、本発明の原理に従って実施される、ＭＺＭを駆動する方法の一実施形態の流れ図が示されている。
該方法は、変調パルストレインを生成することが望まれる開始工程９１０で開始する。該方法は、ＤＰＳＫ駆動信号をＤＰＳＫ構成ＭＺＭにおける少なくとも１つの電極に供給する工程９２０に進む。ＤＰＳＫ駆動信号は、デジタル・データを運び、ＭＺＭの通常の駆動電圧を少なくとも約５％上回るレベルに設定された電圧を有する。該方法は、その供給によって、ＭＺＭを非線形的に動作させることで、それが通常の応答を上回るようにする工程９３０に進む。工程９４０では、ＭＺＭは、変調パルストレインを生成する。該方法は、終了工程９５０で終了する。

本発明を詳細に説明したが、最も広い形態において、本発明の主旨および範囲を逸脱することなく、様々な変更、代用および改変をここに行うことができることを当業者なら理解するはずである。

本発明の原理に従って構成された駆動回路を有するＭＺＭの一実施形態の構成図を示す図である。 典型的には、アイ開口を求めるのに用いられる電力レベルを定めるのに使用されるアイ・マスクをグラフィカルに示す図である。 ＭＺＭによる印加電圧に対する余弦電場強度出力応答をグラフィカルに示す図である。 ２８ＧＨｚのＭＺＭに対する理論的な周波数応答をグラフィカルに示す図である。 図４のＭＺＭの有限周波数応答がＡＳＫビット列に与える影響をグラフィカルに示す図である。 図４のＭＺＭの有限周波数応答がＤＰＳＫビット列に与える影響をグラフィカルに示す図である。 ＮＲＺ−ＡＳＫ（オン・オフ・キーイングまたはＯＯＫとも呼ばれる）ビット列に対する推定電力ペナルティ対変調器帯域幅およびドライバ電圧をグラフィカルに示す図である。 ＮＲＺ ＤＰＳＫビット列に対する推定電力ペナルティ対変調器帯域幅およびドライバ電圧をグラフィカルに示す図である。 本発明の原理に従って実施される、ＭＺＭを駆動する方法の一実施形態の流れ図を示す図である。

Claims (10)

1. それぞれの末端で結合された第１および第２の導波管アーム並びにそれらに関連する電極を有するマッハ・ツェンダ変調器ＭＺＭを駆動する方法であって、
   前記ＭＺＭの少なくとも２倍の帯域幅の速度でデジタル・データを運ぶ差分位相シフト・キードＤＰＳＫ駆動信号を前記電極に供給するステップ、及び、前記ＭＺＭの各導波管アームを制御する電圧を、前記ＭＺＭの半波電圧Ｖ_πを少なくとも約５％上回るレベルに設定するステップ
   からなる方法。
   
2. 前記データ速度での前記ＭＺＭの電力ペナルティが最小化される請求項１に記載の方法。
   
3. 前記ＭＺＭが差分四相位相シフト・キードＤＱＰＳＫ光パルストレインを生成する請求項１に記載の方法。
   
4. 前記ＭＺＭが前記デジタル・データの速度の多くて４０％の帯域幅を有する請求項１に記載の方法。
   
5. 光通信システムであって、
   それぞれの末端で結合された第１および第２の導波管アームと、それらに関連する電極とを有するマッハ・ツェンダ変調器（ＭＺＭ）、および
   前記電極に結合され、前記ＭＺＭの少なくとも２倍の基準帯域幅のビット速度でデジタル・データを運ぶ差分位相シフト・キード（ＤＰＳＫ）駆動信号を前記電極に供給するように構成されたＭＺＭ駆動回路であって、前記ＭＺＭの各導波管アームを制御する電圧が、前記ビット速度で電力ペナルティを最小化するレベルに設定されたＭＺＭ駆動回路
   からなる光通信システム。
   
6. 前記制御する電圧が前記ＭＺＭの半波電圧Ｖ_πを上回る請求項５に記載の光通信システム。
   
7. 前記基準帯域幅が前記ビット速度の約３５％より少ない請求項５に記載の光通信システム。
   
8. マッハ・ツェンダ変調器（ＭＺＭ）を動作する方法であって、
   前記ＭＺＭの少なくとも２倍の基準帯域幅の変調速度で前記ＭＺＭの導波管アーム内の位相シフトを制御する電圧を変調するステップ、及び
   前記変調速度で電力ペナルティを最小化するための前記電圧レベルを選択するステップ
   からなる方法。
   
9. 前記基準帯域幅が前記速度の約３５％より少ない請求項８に記載の方法。
   
10. 前記電圧レベルが前記ＭＺＭの半波電圧Ｖ_πより大きい請求項８に記載の方法。

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