JP6446803B2

JP6446803B2 - 光送受信器

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Publication number: JP6446803B2
Application number: JP2014061156A
Authority: JP
Inventors: 豊賣野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: US20150280828A1; US10749601B2; JP2015184506A; CN104954076A

Description

本発明は、光通信・光配線等において、電気信号と光信号間の信号変換を行なう光送受信器、に関する。

シリコン光導波路にPIN（P-intrinsic-N）接合等を形成し、キャリア密度を変化させることでその部分の屈折率を変調する光変調器は、従来から光変調器として用いられてきたニオブ酸リチウム光変調器に比べて、小型・低電圧駆動・低コスト・他の光素子や電子回路との集積が容易、等の様々な利点があり、注目されている。この種の光変調器では、PIN接合の順方向バイアス時に高い効率が得られるが、CR時定数で決まる遮断周波数より高い周波数では、効率が20dB/decで減少することが知られている。下記の非特許文献１には、このような周波数特性を補償するために、入力する電気信号を予めFIR（Finite Impulse Response）フィルタによってプリエンファシスする方法が開示されている。

一方、下記の特許文献１には、光学的ディエンファシス信号を生成することができる光変調器が開示されている。

S. Akiyama, et al., "12.5-Gb/s operation with 0.29-V・cm VπL using silicon Mach-Zehnder modulator based-on forward-biased pin diode," OPTICS EXPRESS, Vol. 20, No. 3, pp.2911-2923, 2012

特開２０１２−６３７６８号公報

上述した非特許文献１の方法では、FIRフィルタをアナログ回路で実現する場合には、入力される電気信号の振幅比や遅延時間を高い周波数領域まで高精度に制御することが難しいという課題や、回路が大型・高価になる、という課題がある。また、FIRフィルタをデジタル回路で実現する場合には、深いエンファシスを実現する振幅比を高精度に制御することが難しいという課題や、整数ビット以外の遅延時間を実現することが難しいという課題がある。

また、上述した特許文献１では、位相変調器の長さとその位相変調器で位相変調された光信号を伝送するための光導波路の長さの間に制約があるという課題や、２つの位相変調器を位相変調するためのデータストリーム間の位相と振幅を調整するための調節器が必要になる等の課題がある。

本発明は、上述したようなシリコン光変調器を用いることに由来する課題を解決する光送受信器を提供するものである。

本発明の光送受信器は、入力側光結合器と出力側光結合器と、該入力側光結合器と出力側光結合器の間に設けられた、光が伝搬する２本のアームを備え、前記２本のアームを伝搬する光の間に概ねπ/2+2nπ（ｎは整数）のバイアス位相差を付加する干渉計と、
入力される連続光の位相を、入力される電気信号に応じて変調した光信号とする光位相変調器と、
前記光位相変調器で変調された光信号が前記出力側光結合器に到達する時間に差を生じさせる光遅延器と、を有し、
前記光位相変調器はシリコン光導波路中のキャリア密度を変化させることによって動作し、
前記光位相変調器として前記２本のアームのそれぞれに設置された第１の光位相変調器と第２の光位相変調器を有し、
前記第１の光位相変調器に電気信号０が入力したときの光位相シフト量をφ10、電気信号１が入力したときの光位相シフト量をφ11、前記第２の光位相変調器に電気信号０が入力したときの光位相シフト量をφ20、電気信号１が入力したときの光位相シフト量をφ21としたとき、概ねφ10-φ20=φ21-φ11の関係が成り立ち、
前記光遅延器は、前記第１の光位相変調器及び前記第２の光位相変調器で変調された光信号が前記出力側光結合器に到達する時間に、前記第１の光位相変調器及び前記第２の光位相変調器に入力される電気信号のビットレートの概ね0.5から1.5ビット分の差を生じさせ、
前記光遅延器として前記２本のアームのそれぞれに設置された第１の光遅延器と第２の光遅延器を有し、
前記２本のアームの一方には、前記第１の光位相変調器と前記出力側光結合器の間に前記第１の光遅延器が設置され、
前記２本のアームの他方には、前記第２の光位相変調器と前記入力側光結合器の間に前記第２の光遅延器が設置されており、
前記第１の光遅延器と前記第２の光遅延器の遅延時間が概ね等しい。

本発明の光送受信器では、上述した非特許文献１で課題となっていた高周波で入力される電気信号の振幅比や遅延時間を高精度に制御する必要がなく、回路が小型・安価になる。また、深いエンファシスや整数ビット以外の遅延時間を実現することも可能になる。

また、本発明の光送受信器では、上述した特許文献１で課題となっていた位相変調器の長さとその位相変調器で位相変調された光信号を伝送するための光導波路の長さの間に制約が解消でき、２つの位相変調器を位相変調するためのデータストリーム間の位相と振幅を調整するための調節器も必要なくなる。

本発明による光送受信器の第１の実施形態の回路構成を模式的に示すブロック図である。（ａ）〜（ｆ）のそれぞれは、本発明の実施の形態における光遅延器の遅延時間を変えた場合のマッハツェンダ干渉計光出力のアイパターンを示す特性図である。本発明による光送受信器の第２の実施形態の回路構成を模式的に示すブロック図である。本発明による光送受信器の第３の実施形態の回路構成を模式的に示すブロック図である。本発明による光送受信器の第４の実施形態の回路構成を模式的に示すブロック図である。本発明による光送受信器の第５の実施形態の回路構成を模式的に示すブロック図である。

本発明の実施形態について図１を参照して以下に説明する。図１は本発明による光送受信器の第１の実施形態の回路構成を模式的に示すブロック図である。

本実施形態の光送受信器１０１は、ある入力電気信号で位相変調された光信号と、その入力電気信号のある時間前または後の入力電気信号で位相変調された光信号とを、概ねπ/2のバイアス位相差を付加して干渉させる光送受信器であり、少なくとも入力電気信号を位相変調器に入力するための電気配線７と、位相変調された光信号を生成する光位相変調器１，２と、干渉をさせる２つの光信号間に時間差を設ける光遅延器３と、干渉させる２つの光信号間の振幅を調整する光減衰器９と、２つの光結合器５，６とを有し、これらの要素間は図１に示す通り光導波路８で接続されており、全体として２つの光信号を干渉させるマッハツェンダ干渉計を構成している。

光結合器５に入力された連続光は２つの光に分岐される。一方の光は光位相変調器１に入力され、他方の光は光減衰器９に入力され、振幅が調整された後に光位相変調器２に入力される。光位相変調器１，２は電気配線７を介して入力される電気信号に応じてそれぞれに入力された光の位相を変調する。光位相変調器２により位相変調された光信号は光結合器６に入力され、光位相変調器１により位相変調された光信号は光遅延器３により所定の遅延時間経過後に光結合器６に入力される。光結合器６は、クロスポートから入力される光とバーポートから入力される光の間にπ/2+2nπ（ｎは整数）の位相差を付加して干渉させ出力する光結合器である。

上記のような光送受信器１０１は、小型化・集積化・低コスト化の観点から、半導体材料を微細加工して形成することが望ましく、特にシリコン基板上に形成された平面光導波路によって構成されたものが好適である。しかしながら非特許文献１に示されたとおり、シリコンのPN接合またはPIN接合を用いた光変調器は、CR時定数で決まる遮断周波数より高い周波数では、効率が-20dB/decで減少することが知られている。本実施形態において、光遅延器３の遅延時間は光位相変調器１および光位相変調器２に入力する電気信号のビットレートの概ね0.5から1.5ビット分の時間に設定することで、光の有限インパルス応答（FIR）フィルタを構成することができ、この光フィルタの周波数特性で前記変調器の-20dB/decの周波数特性を補償することができ、高速な光変調信号を生成することが出来る。

したがって、光送信器１０１は半導体基板上に形成されることが望ましく、特にシリコン基板上に形成された平面光導波路によって構成されたものが好適である。

光導波路８はシリコン基板上に形成されたシリコン光導波路が好適である。

光位相変調器１および光位相変調器２は、シリコン光導波路上に形成されたPN接合またはPIN接合で構成されることが好適である。PN接合またはPIN接合に印加する電圧の変化によって、接合部のキャリア濃度が変化し、キャリアプラズマ効果によって屈折率が変化し、接合部を通過する光の位相が変調される。

光遅延器３は、前述の通り、光位相変調器１および光位相変調器２に印加する電気信号のビットレートの0.5から1.5ビット分の遅延時間を与えるものが好ましい。例えば、電気信号のビットレートが28Gbpsの場合、真空中の波長は約1cmとなるから、シリコン光導波路の実効屈折率を約２とすると、約5mmのシリコン光導波路が1ビット分の光遅延器３となる。より短い光導波路で同程度の遅延時間を得る手段としては、スローライト効果を持つフォトニック結晶導波路、リング共振器、エタロン共振器等を用いることも可能である。

光結合器５は、１つの入力ポートから入力された光が同位相で２つの出力ポートに出力される光結合器（以後これを同相光結合器と呼ぶ）であり、他方の光結合器６は、クロスポートにから入力された光とバーポートから入力された光の間にπ/2の位相差がを付加して干渉させ出力する光結合器（以後これをπ/2光結合器と呼ぶ）となっており、これによりマッハツェンダ干渉計で干渉する２つの光信号間にはπ/2のバイアス位相差が生じる。
なお、前記の説明ではマッハツェンダ干渉計１１の入力側の光結合器（機能的には光分岐器）５を同相光結合器、出力側の光結合器６をπ/2光結合器としたが、入力側の光結合器（機能的には光分岐器）５をπ/2光結合器、出力側の光結合器６を同相光結合器、としてもよい。その場合、光結合器５はクロスポートに出力する光とバーポートに出力する光の間にπ/2の位相差を付加して出力する光結合器、光結合器６は２つの入力ポートからの入力された光を同位相で干渉させ出力する光結合器となる。
また、図１では入力側の光結合器（機能的には光分岐器）５を１×２光結合器、出力側の光結合器６を２×２光結合器としたが、入力側の光結合器（機能的には光分岐器）５を１×２光結合器、出力側の光結合器６を２×１光結合器、または、入力側の光結合器（機能的には光分岐器）５を２×２光結合器、出力側の光結合器６を２×１光結合器、または、入力側の光結合器（機能的には光分岐器）５を２×２光結合器、出力側の光結合器６を２×２光結合器、としてもよい。
同相光結合器の例としては、対称Y分岐器、対称スター型結合器、対称1×２マルチモード干渉（MMI）結合器などがある。π/2光結合器としては、方向性結合器、対称２×２MMI結合器などがある。図１のように、出力側光結合器６を２×２とした場合、２つの出力ポートには差動信号が出力されるので、光差動伝送を行なうことも可能である。

光減衰器９は２つのアーム間の光の振幅を概ね等しくするために光遅延器３の光損失と同程度の光損失を持つものを設置することが望ましいが、光遅延器３の損失がそれほど大きくない場合は省略することも可能である。また、光減衰器９を設置する代りに光結合器５の分岐比を非対称にし、光結合器６で２つのアームの光を干渉させるときに、２つのアームの光振幅が概ね等しくなるようにしてもよい。

次に本実施形態の光送受信器の動作の一例を説明する。一般に対称マッハツェンダ干渉計の光出力Pは式（１）で表すことができる。
P=cos²[(φ1-φ2+φ0)/2]・・・（１）
ここで、φ1およびφ2はそれぞれマッハツェンダ干渉計のアーム１（図１において、光遅延器３が設けられるアーム）の位相変調器１およびアーム２（図１において、光減衰器９が設けられるアーム）の位相変調器２に入力される電気信号によって生じる光位相シフト量、φ0はアーム１と２の間のバイアス位相差である。図１に示す第１の実施形態では、入力側光結合器が同相光結合器、出力側光結合器がπ/2光結合器となっているので、φ0=π/2となる。入力電気信号は０と１の2値のデジタル信号とする。まず最も簡単な例として、アーム１、２共に入力電気信号が０の時の光位相シフト量を０、入力電気信号が１の時の光位相シフト量をπ/2（ラジアン）とする。光遅延器３の遅延時間は入力電気信号の約１ビット分の時間とする。この場合、出力側光結合器６で２つのアームの光が干渉する際に、アーム１の光信号がアーム２の光信号に対して約１ビット分遅れて干渉することになる。この場合のマッハツェンダ干渉計の出力を式（１）から求めたものを表１に示す。入力電気信号の連続する２ビットが０→０の場合、および１→１の場合、つまり、変化しない場合には光出力は中間値の０．５となり、０→１の場合に最大値の１、１→０の場合に最小値の０となる。このような入出力の関係は微分特性と呼ばれ、PN接合またはPIN接合の電気特性である-20dB/decの周波数応答特性を補償する+20dB/decの周波数応答特性を実現することができる。

より一般的には、アーム１の入力電気信号が０の時の光位相シフト量をφ10（ラジアン）、アーム１の入力電気信号が１の時の光位相シフト量をφ11（ラジアン）、アーム２の入力電気信号が０の時の光位相シフト量をφ20（ラジアン）、アーム２の入力電気信号が１の時の光位相シフト量をφ21（ラジアン）とする。光遅延器３の遅延時間は入力電気信号の約１ビット分の時間とする。この場合のマッハツェンダ干渉計の出力を式（１）から求めたものを表２に示す。

表２に示す光出力は、式（２）の条件を満たすとき、0.5に対して対称な４値となり、その周波数応答特性は、ある周波数より高い周波数で+20dB/decの周波数応答となり、PN接合またはPIN接合の電気特性をよりきめ細かく補償することができる。
φ10−φ20=φ21−φ11・・・（２）

次に本実施形態の光遅延器３の好ましい遅延時間について説明する。光遅延器３の遅延時間を変えた場合のマッハツェンダ干渉計光出力のアイパターンを図２に示す。ここでは、入力電気信号のビットレートを28Gbps、光位相変調器１、２の3dB遮断周波数を160MHzとして計算した。図２（ａ）は比較のために、通常のプッシュ・プル駆動で遅延なしの場合のアイパターンを示しており、光位相変調器１，２が低速のため、アイが開かないことがわかる。一方、図２（ｂ）〜（ｆ）は上記の本実施形態の方法で、光遅延器３の遅延時間を0.25ビット（約8ps）から1.5ビット（約48ps）まで変化させた場合のアイパターンをそれぞれ示している。遅延時間が1.5ビット以上になるとアイ開口が狭くなることが分かる。遅延時間が短いほど振幅に対する相対的なアイ開口は大きくなる傾向があるが、同時に光出力の振幅が小さくなる。したがって、光遅延器３の遅延時間は概ね0.5から1.5ビット程度が好適である。

次に、本発明の第２の実施形態について図３を参照して以下に説明する。図３は本発明による光送受信器の第２の実施形態の回路構成を模式的に示すブロック図である。

本実施形態の光送受信器１０２は、本発明の第１の実施形態においてマッハツェンダ干渉計のアーム２に設置していた光減衰器９を光遅延器４に置き換えた構成となっている。すなわち、本実施形態におけるマッハツェンダ干渉計のアーム１では、光遅延器３は光位相変調器１と出力側光結合器６の間に設置されており、アーム２では光遅延器４は光位相変調器２と入力側光結合器５の間に設置されている。

光結合器５に入力された光は２つの光に分岐される。一方の光は光位相変調器１に入力され、他方の光は光遅延器４に入力され、所定の遅延時間経過後に光位相変調器２に入力される。光位相変調器１，２は電気配線７を介して入力される電気信号に応じてそれぞれに入力された光の位相を変調する。光位相変調器２により位相変調された光信号は光結合器６に入力され、光位相変調器１により位相変調された光信号は光遅延器３により所定の遅延時間経過後に光結合器６に入力される。光結合器６は、クロスポートから入力された光とバーポートから入力された光の間にπ/2の位相差を付加して干渉させ出力する。

本実施形態の、入力電気信号に対する光出力という点では実施形態１と動作はほぼ同じである。敢えて違いを言うとすると、実施形態１における光減衰器9による遅延を無視すれば、実施形態１では入力側光結合器５で分岐された２つの同じ連続光を同じ入力電気信号で変調するのに対して、実施形態２では入力側光結合器５で分岐された連続光の一方を光遅延器４で遅延した後に同じ入力電気信号で光位相変調器２によって変調している、点が違っている。ただし、この違いは、実施形態１で説明している変調器の周波数応答特性を補償する動作には基本的には影響することはなく、補償動作に影響するのは、入力電気信号で変調された後の遅延時間だけである。基本的と限定した理由は、温度や光の波長が一定の場合には影響しないということを意味する。
実施形態１では２つのアームの光路長が異なるため、温度や光の波長が変化すると動作点がずれてしまうが、実施形態２では２つのアームの光路長が等しいため、温度や光の波長が変化しても動作点がずれないという優位性がある。
本実施の形態の光送受信機１０２の動作は概ね第１の実施形態と同様であるが、両アームに配置される部品が同じものとなるため、両アームの光損失および光路長を等しくすることが容易になる。これにより、第１の実施形態に比べて、マッハツェンダ干渉計の光出力の消光比を高くすることが容易になるという特徴があり、また、光出力の波長依存性や温度依存性を小さくできる等の特徴がある。一般に半導体の屈折率温度係数はニオブ酸リチウムやガラス等の誘電体に比べて大きいため、第１の実施形態のマッハツェンダ干渉計をシリコン等の半導体で形成したものと比較すると、本実施形態は広い温度範囲で安定動作を行なう上で極めて有用な構成となる。

次に本発明の第３の実施形態について図４を参照して以下に説明する。図４は本発明による光送受信器の第３の実施形態の回路構成を模式的に示すブロック図である。

本実施の形態の光送受信器１０３は、図１に示した第１の実施形態における光位相変調器１と光位相変調器２を１つにまとめた光位相変調器３１としてマッハツェンダ干渉計の入力側光結合器５の前段に配置した構成となっている。

光位相変調器３１は、電気配線７を介して入力される電気信号に応じて入力された連続光の位相を変調して光結合器５に出力する。光結合器５に入力された光信号は２つの光信号に分岐される。一方の光信号は光遅延器４に入力され、所定の遅延時間経過後に光結合器６に入力される。他方の光信号は光減衰器９に入力され、振幅が調整された後に光結合器６に入力される。光結合器６は、クロスポートから入力された光とバーポートから入力された光の間にπ/2の位相差を付加して干渉させ出力する。

本実施形態の動作は概ね第1の実施形態と同様であるが、光位相変調器が１つでよいため、第1の実施形態に比べて、小型化が可能である等の特徴がある。

次に、本発明の第４の実施形態について図５を参照して以下に説明する。図５は本発明による光送受信器の第４の実施形態の回路構成を模式的に示すブロック図である。

本実施形態の光送受信器１０４は、連続光を発生するレーザ光源２０と図３に示した本発明の第２の実施形態に示した光送受信器１０２の入力側光結合器５とを光学的に接続した光送信器３４と、光差動信号を受信するバランス型受光器２１によって構成された光受信器４４と、光送信器３４と光受信器４４の間を光学的に接続して光差動信号を伝送する光導波路５４によって構成されている。前述のように、出力側光結合器６を２×２とした場合、２つの出力ポートには差動信号が出力されるので、光差動伝送を行なうことが可能である。光差動信号をバランス型受光器２１で受信することにより、約3dBの利得を得ることができる。ただし、光差動伝送を効率的に行なうためには光導波路５４の2本の導波路の光路長を光の波長より短い精度で等長化する必要がある。そのため本実施形態は、送信器３４と受信器４４が同一基板上にある場合に好適である。

次に本発明の第５の実施形態について図６を参照して以下に説明する。図６は本発明による光送受信器の第５の実施形態の回路構成を模式的に示すブロック図である。

本実施形態の光送受信器１０５は、連続光を発生するレーザ光源２０と本発明の第３の実施形態における光位相変調器１とを光学的に接続した光送信器３５と、本発明の実施の第３の形態における、光結合器５、光遅延器３、光減衰器９、および、光結合器６により構成されるマッハツェンダ干渉計１３と、光差動信号を受信するバランス型受光器２１と、によって構成された光受信器４５と、光送信器３５と光受信器４５の間を光学的に接続する光導波路５５によって構成されている。前述のように、出力側光結合器６を２×２とした場合、２つの出力ポートには差動信号が出力されるので、光差動伝送を行なうことが可能である。光差動信号をバランス型受光器２１で受信することにより、約3dBの利得を得ることができる。本実施の形態では、送信器３５と受信器４５の間を光学的に接続する光導波路５５が１本でよいため、実施の第４の形態のように等長化をする必要がなく、実施の第４の形態に比べて送信器３５と受信器４５の間の距離が長い場合にも好適である。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。たとえば、上記の説明では２つのアーム間の干渉を行なう干渉計としてマッハツェンダ干渉計を用いたが、これをマイケルソン干渉計で代用することも可能である。また、マッハツェンダ干渉計の２つのアーム間の光振幅を調整するために光減衰器９を用いたが、その代りに反対のアームに光増幅器を設置してもよい。

１〜２光位相変調器
３〜４光遅延器
５入力側光結合器
６出力側光結合器
７入力電気信号用電気配線
８光導波路
９光減衰器
１１〜１３マッハツェンダ干渉計
２０レーザ光源
２１バランス型受光器
３４〜３５光送信器
４４〜４５光受信器
５４〜５５光導波路
１０１〜１０５光送受信器

Claims

入力側光結合器と出力側光結合器と、該入力側光結合器と出力側光結合器の間に設けられた、光が伝搬する２本のアームを備え、前記２本のアームを伝搬する光の間に概ねπ/2+2nπ（ｎは整数）のバイアス位相差を付加する干渉計と、
入力される連続光の位相を、入力される電気信号に応じて変調した光信号とする光位相変調器と、
前記光位相変調器で変調された光信号が前記出力側光結合器に到達する時間に差を生じさせる光遅延器と、を有し、
前記光位相変調器はシリコン光導波路中のキャリア密度を変化させることによって動作し、
前記光位相変調器として前記２本のアームのそれぞれに設置された第１の光位相変調器と第２の光位相変調器を有し、
前記第１の光位相変調器に電気信号０が入力したときの光位相シフト量をφ10、電気信号１が入力したときの光位相シフト量をφ11、前記第２の光位相変調器に電気信号０が入力したときの光位相シフト量をφ20、電気信号１が入力したときの光位相シフト量をφ21としたとき、概ねφ10-φ20=φ21-φ11の関係が成り立ち、
前記光遅延器は、前記第１の光位相変調器及び前記第２の光位相変調器で変調された光信号が前記出力側光結合器に到達する時間に、前記第１の光位相変調器及び前記第２の光位相変調器に入力される電気信号のビットレートの概ね0.5から1.5ビット分の差を生じさせ、
前記光遅延器として前記２本のアームのそれぞれに設置された第１の光遅延器と第２の光遅延器を有し、
前記２本のアームの一方には、前記第１の光位相変調器と前記出力側光結合器の間に前記第１の光遅延器が設置され、
前記２本のアームの他方には、前記第２の光位相変調器と前記入力側光結合器の間に前記第２の光遅延器が設置されており、
前記第１の光遅延器と前記第２の光遅延器の遅延時間が概ね等しい光送受信器。
請求項１に記載の光送受信器において、
前記入力側光結合器と出力側光結合器のうち、一方は１つの入力ポートから入力された光が同位相で２つの出力ポートに出力される1x2または2x2光結合器であり、他方はクロスポートに出力される光とバーポートに出力される光の間にπ/2の位相差が生じる1x2または2x2光結合器である光送受信器。