JP7221331B2

JP7221331B2 - 光変調装置

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Publication number: JP7221331B2
Application number: JP2021086928A
Authority: JP
Inventors: ツァイクエンティン; チュアンツオンミン
Original assignee: Molex LLC
Current assignee: Molex LLC
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2023-02-13
Anticipated expiration: 2041-05-24
Also published as: JP2021189446A; KR20210145687A; KR102478968B1; CN113721403A; EP3917035A1; US20210364879A1

Description

本開示は、装置に関し、特に光変調装置に関する。

光ファイバ通信システムでは、光ファイバ分散は、波長に対する波速度の依存により、光波が異なる波長の光スペクトル成分に分散する現象である。光変調装置によって発せられる光信号又はパルスが、例えば光ファイバチャネル内に投影されると、そのエンベロープは、波群速度で光受信装置へとファイバチャネルに沿って伝搬する。このパルスは一連の光スペクトル成分を含むため、各光スペクトル成分は異なる波群速度で移動し、グループ速度分散（ＧＶＤ）、モーダル間分散、又は単純な光ファイバ分散を生じる。この分散現象はまた、多くの場合、パルス広がりと呼ばれる。パルスが光ファイバに沿って移動すると、光スペクトル成分は空間及び時間に分散され続け、パルスは幅が広くなりすぎ、パルスの前縁が前のパルスの後縁と重なり、シンボル間干渉（ＩＳＩ）が発生し、ビットがぼかされる。これにより、光受信装置が光信号を受信し、光信号に基づいて復調すると、光受信装置は、「０」ビットと「１」ビットとの差を識別できず、復調誤差をもたらす。また、光ファイバの分散は、光ファイバの長さに直結しており、すなわち光信号の伝送距離が光ファイバの分散によって制限される。さらに、光受信装置によって受信された光信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）もまた、光受信装置の復調精度に影響を及ぼす。

したがって、光ファイバの信号対雑音比及び分散は、光ファイバ通信の信号品質に影響を及ぼす重要な要因の１つとなる。したがって、光伝送距離を促進するために、信号対雑音比が低すぎることを回避する方法、及び光ファイバ通信システムに著しく影響する光ファイバの分散は、関連する通信エンティティによる改善対象である。

したがって、本開示の目的は、既存の技術の欠点を克服することができる光変調装置を提供することである。

したがって、本開示の光変調装置は、光スプリッタと、光位相変調器と、光合成器と、を備える。光スプリッタは、入力光信号を受信し、光分割比によって入力光信号を分割して、第１の分割光信号及び第２の分割光信号を生成するために使用される。光位相変調器は、光スプリッタを結合して、第１の分割光信号及び第２の分割光信号を受信し、第１の分割光信号及び第２の分割光信号を位相変調して、それぞれ、第１の変調光信号及び第２の変調光信号を生成する。光合成器は、光位相変調器を結合して、第１の変調光信号及び第２の変調光信号を受信し、第１の変調光信号と第２の変調光信号とをある結合比で組み合わせることにより、チャープを有する出力光信号を生成し、結合比が光分割比と等しく、結合比の値が正の数であり、値は１より小さい又は１より大きい。

本開示の効果は、次のことにある。光分割比が光結合比に等しいことにより、出力光信号がより良好な信号対雑音比を有し、それにより、光受信装置が出力光信号を受信し、出力光信号に従って復調するときに、光受信装置がより良好な復調精度を有し、出力光信号はチャープを有し、光ファイバによる分散が出力光信号の送信に与える影響を低減することができ、光通信システムの伝送性能を向上させることができる。

本開示の他の特徴及び技術的効果は、添付の図面を参照する実施形態において明らかとなるであろう。

本開示の光変調装置の第１の実施形態を示す平面図である。第１の実施形態の出力光信号のチャープが異なる値をとるとき、結合比の第１の値が、光分割比の第１の値として変化することを示すシミュレーション図である。第１の実施形態の出力光信号のチャープが異なる値をとるとき、出力光信号の光変調振幅が光分割比の第１の値として変化することを示すシミュレーション図である。本開示の光変調装置の第２の実施形態を示す平面図である。

参照符号は、以下のように表される。

１光変調装置
１１光スプリッタ
１１１、１１２入力端
１２光位相変調器
１２１第１の導波路
１２２第２の導波路
１２３第１の電極
１２４第２の電極
１２５バイアス電圧電極
１３光合成器
１３１、１３２出力端
１４比率調整器
１４１第１の電極
１４２第２の電極
Ｖ１第１の変調電圧
Ｖ２第２の変調電圧
Ｖｂバイアス電圧信号
Ｖｄｃ直流電圧
Ｏｉｎ入力光信号
Ｏｏｕｔ出力光信号
Ｏｍ１第１の変調光信号
Ｏｍ２第２の変調光信号
Ｏｓ１第１の分割光信号
Ｏｓ２第２の分割光信号
ＯＭＡ光変調振幅
ε１光分割比の第１の値
ε２結合比の第１の値
α チャープ

本開示を詳細に説明する前に、同様の要素は、以下の説明において同じ参照符号によって示されることに留意すべきである。

＜第１の実施形態＞
図１を参照すると、本開示の光変調装置１の実施形態は、光通信システム（図示せず）に適合されている。光通信システムは、光ファイバ（図示せず）及び光受信装置（図示せず）を含む。光変調装置１は、連続波を有する入力光信号Ｏｉｎを変調し、チャープを有する出力光信号Ｏｏｕｔを生成して発光させ、光ファイバを介して出力光信号Ｏｏｕｔを光受信装置に送信するために使用される。光受信装置は、光受信装置によって受信された出力光信号Ｏｏｕｔを復調する。

本実施形態の光変調装置１は、光スプリッタ１１と、光位相変調器１２と、光合成器１３と、を含む。光変調装置１は、Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ変調器（ＭＺＭ）であり、Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ変調器は、ＬｉＮｂＯ₃系、シリコン及びＩｎＰのうちの１つで作製される。

光スプリッタ１１は、入力光信号Ｏｉｎを受信し、入力光信号Ｏｉｎを光分割比（すなわち、ε１：（１ε－１）、０＜ε１＜１）で分割して第１の分割光信号Ｏｓ１及び第２の分割光信号Ｏｓ２を生成するために使用される。なお、本実施形態では、光スプリッタ１１は光指向性カプラであり、入力光信号Ｏｉｎのみを受信するものであるが、本開示はこれに限定されるものではないことに留意されたい。他の実施形態では、光スプリッタ１１の入力端１１１は入力光信号Ｏｉｎを受信し、別の入力端１１２は、別の入力光信号を受信する。光スプリッタ１１は、Ｙ分岐導波路又はマルチモード干渉計であってもよい。

光位相変調器１２は、光スプリッタ１１を結合して、第１の分割光信号Ｏｓ１及び第２の分割光信号Ｏｓ２を受信し、第１の分割光信号Ｏｓ１及び第２の分割光信号Ｏｓ２を位相変調して、第１の変調光信号Ｏｍ１及び第２の変調光信号Ｏｍ２をそれぞれ生成する。本実施形態では、光位相変調器１２は、第１の導波路１２１と、第２の導波路１２２と、第１の電極１２３と、第２の電極１２４と、バイアス電圧電極１２５と、を含む。

第１の導波路１２１は、光スプリッタ１１と光合成器１３との間に結合され、光スプリッタ１１から第１の分割光信号Ｏｓ１を受信し、第１の分割光信号Ｏｓ１に基づいて第１の変調光信号Ｏｍ１を生成する。第２の導波路１２２は、光スプリッタ１１と光合成器１３との間に結合され、光スプリッタ１１から第２の分割光信号Ｏｓ２を受信し、第２の分割光信号Ｏｓ２に基づいて第２の変調光信号Ｏｍ２を生成する。第１の電極１２３は、第１の導波路１２１に対応して設けられ、第１の変調電圧Ｖ１を受信するために使用される。第２の電極１２４は、第２の導波路１２２に対応して設けられ、第２の変調電圧Ｖ２を受信するために使用される。具体的には、第１の電極１２３及び第２の電極１２４は、第１の導波路１２１の上面及び第２の導波路１２２の上面にそれぞれ設けられている。第１の電極１２３及び第２の電極１２４は、第１の導波路１２１自体の屈折率及び第２の導波路１２２自体の屈折率を、第１の変調電圧Ｖ１及び第２の変調電圧Ｖ２に従ってそれぞれ変化させ（例えば、第１の変調電圧Ｖ１及び第２の変調電圧Ｖ２に従って熱を発生させて、第１の導波路１２１の屈折率及び第２の導波路１２２の屈折率を変化させるが、本開示はこれに限定されるものではない）、第１の導波路１２１によって伝搬される第１の分割光信号Ｏｓ１の伝搬速度と、第２の導波路１２２によって伝播される第２の分割光信号Ｏｓ２の伝搬速度を変化させ（すなわち、第１の導波路１２１内で伝播された光と、第２の導波路１２２内で伝播された光との間に位相差が生まれ（すなわち、位相変調））、それぞれ第１の変調光信号Ｏｍ１及び第２の変調光信号Ｏｍ２を生成する。そのため、第１の変調光信号Ｏｍ１の位相及び第２の変調光信号Ｏｍ２の位相は、第１の変調電圧Ｖ１及び第２の変調電圧Ｖ２が変化するにつれてそれぞれ変化する。

バイアス電圧電極１２５は、第２の導波路１２２及び第２の電極１２４に対応して設けられ（又は、バイアス電圧電極１２５は、第１の導波路１２１及び第１の電極１２３に対応して設けられ）、バイアス電圧信号Ｖｂを受信するために使用される。

特に、出力光信号Ｏｏｕｔのチャープの極性は、それ自体で動作される光変調装置１の伝達関数の正の勾配又は負の勾配と関連付けられ、出力光信号Ｏｏｕｔのチャープの大きさは、伝達関数の直交点からの光変調装置１のバイアス電圧点のオフセットと関連付けられる。したがって、バイアス電圧信号Ｖｂによって制御される光位相変調器１２を作製することによって、本実施形態は、チャープの極性を変化させるように、伝達関数の正の勾配又は負の勾配で動作するように光変調装置１を調整し、バイアス電圧信号Ｖｂが変化するにつれて出力光信号Ｏｏｕｔのチャープが変化するように、バイアス電圧信号Ｖｂによって、バイアス電圧点が伝達関数の直交点からオフセットされるようにチャープの大きさを変化させる。

光合成器１３は、光位相変調器１２を結合して、第１の変調光信号Ｏｍ１及び第２の変調光信号Ｏｍ２を受信し、第１の変調光信号Ｏｍ１と第２の変調光信号Ｏｍ２とをある結合比で（すなわち、ε２：（１－ε２）、０＜ε２＜１）で結合して、出力光信号Ｏｏｕｔを生成する。結合比及び光分割比は共に定数であることに留意されたい。結合比は、光分割比（すなわち、ε１：（１－ε１）＝ε２：（１－ε２）と等しく、結合比の値は正の数であり、値は１より小さい又は１より大きい。さらに、本実施形態では、光合成器１３は光指向性カプラであり、出力光信号Ｏｏｕｔのみを出力するものであるが、本開示はこれに限定されるものではない。他の実施形態では、光合成器１３の出力端１３１は出力光信号Ｏｏｕｔを出力し、光合成器１３の別の出力端１３２は、別の出力光信号を出力する。出力光信号Ｏｏｕｔ及び別の出力光信号は、異なるチャープを有してもよい。光合成器１３は、Ｙ分岐導波路又はマルチモード干渉計であってもよい。

本実施形態では、第１の変調電圧Ｖ１の振幅及び第２の変調電圧Ｖ２の振幅は同一であり、第１の変調電圧Ｖ１及び第２の変調電圧Ｖ２の位相は１８０度異なる。出力光信号Ｏｏｕｔの光変調振幅（ＯＭＡ）は、以下の式（１）によって得ることができる。

式中、パラメータＯＭＡは光変調振幅であり、パラメータＰｏ，ｍａｘ及びパラメータＰｏ，ｍｉｎはそれぞれ出力光信号Ｏｏｕｔの最大光パワー及び最小光パワーであり、パラメータε１は光分割比の第１の値であり、パラメータε２は結合比の第１の値であり、パラメータＰｉｎは入力光信号Ｏｉｎの光パワーである。式（１）から分かるように、出力光信号Ｏｏｕｔの光変調振幅ＯＭＡは、光分割比及び結合比と関連付けられ、したがって、本開示が、入力光信号Ｏｉｎの波長及び伝送距離を判定し、入力光信号Ｏｉｎに対応する光ファイバの分散量を知る場合、出力光信号Ｏｏｕｔのチャープは、光ファイバの分散量に応じて選択され、所望に応じたチャープは、バイアス電圧信号Ｖｂを調整することによって得られ、光分割比及び結合比は前もって幾分か調整され、それにより、出力光信号Ｏｏｕｔがチャープを有する一方で、光変調振幅ＯＭＡが最大化される。そのため、出力光信号Ｏｏｕｔが光ファイバを介して光受信装置に送信されると、出力光信号Ｏｏｕｔは、依然として、より良好な信号対雑音比（ＳＮＲ）を有する。

図２及び図３を参照すると、図２は、異なるチャープにおける光分割比の第１の値ε１と、結合比の第１の値ε２との間の関係を示す（図では、パラメータαは出力光信号Ｏｏｕｔのチャープとして働く）。図３は、異なるチャープにおける出力光信号Ｏｏｕｔの光分割比の第１の値ε１と光変調振幅ＯＭＡとの関係を示す。図２及び図３から分かるように、異なるチャープでは、光分割比の第１の値ε１が、結合比の第１の値ε２に等しいとき（すなわち、ε１＝ε２）、出力光信号Ｏｏｕｔの光変調振幅ＯＭＡは最大値を有する。したがって、所望に応じたチャープを定め、チャープに対応するとともに互いに等しい光分割比及び結合比をとって、光変調装置１を予め設定することによって、本開示は、光変調振幅ＯＭＡを最大化しながら出力光信号Ｏｏｕｔにチャープをもたせて、光リンクのバジェットを改善する。

＜第２の実施形態＞
図４を参照すると、本開示の光変調装置１の第２の実施形態は、第１の実施形態と同様であるが、第２の実施形態では、（１）光分割比及び結合比の両方が定数ではない（すなわち、予め設定されていない）こと、及び（２）光変調装置１が比率調整器１４をさらに含むことが異なる。

比率調整器１４は、可変である直流電圧Ｖｄｃを受信し、直流電圧Ｖｄｃに従って、光分割比及び結合比の値を調整するために使用される。本実施形態では、比率調整器１４は、第１の電極１４１及び第２の電極１４２を含む。第１の電極１４１は、光スプリッタ１１に対応して、また隣接して設けられ、直流電圧Ｖｄｃを受信するために使用される。第２の電極１４２は、光合成器１３に対応して、また隣接して設けられ、直流電圧Ｖｄｃを受信するために使用される。具体的には、第１の電極１４１及び第２の電極１４２は、それぞれ直流電圧Ｖｄｃに応じて熱を発生させて、第１の電極１４１と第２の電極１４２とがそれぞれ対応する光分割比の値と結合比の値を調整する。本実施形態では、同様に、結合比は、光分割比と等しく、結合比の値は正の数であり、値は１より小さい又は１より大きい。

結論として、本開示の光変調装置１は、光分割比が光結合比と同等であることにより、光変調装置１が出力する出力光信号Ｏｏｕｔをより大きい光変調振幅ＯＭＡとし、出力光信号Ｏｏｕｔが光ファイバを介して光受信装置に伝送されるときの信号対雑音比をさらに良好にするので、光受信装置が出力光信号Ｏｏｕｔに応じて復調する際に、光受信装置は、より良好な復調精度を有するようになる。さらに、出力光信号Ｏｏｕｔが光変調装置１における最適化されたチャープを有することにより、出力光信号Ｏｏｕｔの伝送時に光ファイバによる分散の影響を低減し、光通信システムの伝送性能を促進し、出力光信号Ｏｏｕｔの伝送距離を長くすることができる。

しかしながら、上記の説明は、本開示の実施形態に過ぎず、本開示の実行範囲を限定することを意図するものではなく、特許請求の範囲に従ってなされる単純な同等の変更及び修正、及び明細書の内容は依然として本開示の範囲に含まれる。

Claims

光ファイバ、光受信装置、及び、光変調装置（１）としてのＭａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ変調器（ＭＺＭ）を含む光変調通信システムであって、
連続波を有する入力光信号（Ｏｉｎ）を受信し、光分割比で前記入力光信号（Ｏｉｎ）を分割して第１の分割光信号（Ｏｓ１）及び第２の分割光信号（Ｏｓ２）を生成するのに適応した光スプリッタ（１１）と、
前記第１の分割光信号（Ｏｓ１）及び前記第２の分割光信号（Ｏｓ２）を受信するように前記光スプリッタ（１１）と結合し、前記第１の分割光信号（Ｏｓ１）及び前記第２の分割光信号（Ｏｓ２）を位相変調して、第１の変調光信号（Ｏｍ１）及び第２の変調光信号（Ｏｍ２）をそれぞれ生成するのに適応した光位相変調器（１２）と、
該光位相変調器（１２）と結合して前記第１の変調光信号（Ｏｍ１）及び前記第２の変調光信号（Ｏｍ２）を受信し、前記第１の変調光信号（Ｏｍ１）と前記第２の変調光信号（Ｏｍ２）とをある結合比で結合して、チャープ（α）を有し、前記光ファイバを介して前記光受信装置に伝達される出力光信号（Ｏｏｕｔ）を生成するのに適応した光合成器（１３）とを備え、
前記光受信装置は出力光信号（Ｏｏｕｔ）を復調するのに適応し、前記結合比の第１の値（ε２）が前記光分割比の第１の値（ε１）と等しく、前記結合比の第１の値（ε２）が正の数であり、前記結合比の第１の値（ε２）が１より小さいか又は１より大きく、前記光分割比及び結合比は、出力光信号（Ｏｏｕｔ）の光変調振幅（ＯＭＡ）が最大化されるように選択されることを特徴とする光変調通信システム。
前記光位相変調器（１２）が、
前記光スプリッタ（１１）と前記光合成器（１３）との間に結合され、前記第１の分割光信号（Ｏｓ１）を前記光スプリッタ（１１）から受信し、前記第１の分割光信号（Ｏｓ１）に基づいて前記第１の変調光信号（Ｏｍ１）を生成する、第１の導波路（１２１）と、
前記光スプリッタ（１１）と前記光合成器（１３）との間に結合され、前記第２の分割光信号（Ｏｓ２）を前記光スプリッタ（１１）から受信し、前記第２の分割光信号（Ｏｓ２）に基づいて前記第２の変調光信号（Ｏｍ２）を生成する、第２の導波路（１２２）と、
前記第１の導波路（１２１）に対応して設けられ、第１の変調電圧（Ｖ１）を受信するのに適応した第１の電極（１２３）であって、前記第１の変調光信号（Ｏｍ１）の位相が前記第１の変調電圧（Ｖ１）が変化するに従って変化する、第１の電極（１２３）と、
前記第２の導波路（１２２）に対応して設けられ、第２の変調電圧（Ｖ２）を受信するのに適応した第２の電極（１２４）であって、前記第２の変調光信号（Ｏｍ２）の位相が前記第２の変調電圧（Ｖ２）が変化するに従って変化する、第２の電極（１２４）とを備える、請求項１に記載の光変調通信システム。
前記出力光信号（Ｏｏｕｔ）のチャープ（α）が可変であり、前記光位相変調器（１２）が、
前記第２の導波路（１２２）及び前記第２の電極（１２４）に対応して設けられ、バイアス電圧信号（Ｖｂ）を受信するのに適応したバイアス電圧電極（１２５）であって、前記出力光信号（Ｏｏｕｔ）のチャープ（α）が、前記バイアス電圧信号（Ｖｂ）が変化するに従って変化する、バイアス電圧電極（１２５）をさらに備える、請求項２に記載の光変調通信システム。
前記第１の変調電圧（Ｖ１）の位相及び前記第２の変調電圧（Ｖ２）の位相は、互いに１８０度だけ異なり、前記第１の変調電圧（Ｖ１）の振幅及び前記第２の変調電圧（Ｖ２）の振幅は同一である、請求項２に記載の光変調通信システム。
前記光スプリッタ（１１）及び前記光合成器（１３）がそれぞれ、Ｙ分岐導波路である、請求項１に記載の光変調通信システム。
前記光スプリッタ（１１）及び前記光合成器（１３）がそれぞれ、光指向性カプラである、請求項１に記載の光変調通信システム。
前記光スプリッタ（１１）及び前記光合成器（１３）がそれぞれマルチモード干渉計である、請求項１に記載の光変調通信システム。
前記光分割比の第１の値（ε１）及び前記結合比の第１の値（ε２）が共に定数である、請求項１に記載の光変調通信システム。
可変の直流電圧（Ｖｄｃ）を受けて、該直流電圧（Ｖｄｃ）に応じて前記光分割比の第１の値（ε１）と前記結合比の第１の値（ε２）とを調整するのに適応した比率調整器（１４）をさらに備える、請求項１に記載の光変調通信システム。
前記比率調整器（１４）が、
光スプリッタ（１１）に対応して設けられ、前記直流電圧（Ｖｄｃ）を受信するのに適応した第１の電極（１４１）と、
光合成器（１３）に対応して設けられ、前記直流電圧（Ｖｄｃ）を受信するのに適応した第２の電極（１４２）と、を備える、請求項９に記載の光変調通信システム。
請求項１に記載の光変調通信システムの信号品質を調整する方法であって、
－入力光信号（Ｏｉｎ）を受信するのに適応した光変調装置（１）の光スプリッタ（１１）によって、前記光分割比で前記入力光信号（Ｏｉｎ）を分割することと、
－前記第１の分割光信号（Ｏｓ１）及び前記第２の分割光信号（Ｏｓ２）を生成することと、
－前記第１の分割光信号（Ｏｓ１）及び前記第２の分割光信号（Ｏｓ２）を受信するように前記光スプリッタ（１１）と結合した光変調装置（１）の光位相変調器（１２）によって、前記第１の分割光信号（Ｏｓ１）及び前記第２の分割光信号（Ｏｓ２）を位相変調し、第１の変調光信号（Ｏｍ１）及び第２の変調光信号（Ｏｍ２）をそれぞれ生成することと、
－前記光位相変調器（１２）と結合して前記第１の変調光信号（Ｏｍ１）及び前記第２の変調光信号（Ｏｍ２）を受信する光変調装置（１）の光合成器（１３）を用いて、前記第１の変調光信号（Ｏｍ１）と前記第２の変調光信号（Ｏｍ２）とを前記結合比で結合することと、
－チャープ（α）を有する出力光信号（Ｏｏｕｔ）を生成することと、
－前記光ファイバを介して出力光信号（Ｏｏｕｔ）を前記光受信装置に伝達することと、
－前記光受信装置によって、出力光信号（Ｏｏｕｔ）を復調することと、を含み、
さらに、
－前記光ファイバの分散量に応じて出力光信号（Ｏｏｕｔ）のチャープ（α）を選択することと、
－該チャープ（α）に対応して、前記光分割比の第１の値（ε１）と等しい前記結合比の第１の値（ε２）を設定することと、を含み、前記結合比の第１の値（ε２）は、正の数であって、１より小さいか又は１より大きく、光変調装置（１）を予め設定し、光変調振幅（ＯＭＡ）を最大化し、光リンクのバジェットを改善する、方法。