WO2022024344A1 - 光送受信システムおよび送信器 - Google Patents

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WO2022024344A1
WO2022024344A1 PCT/JP2020/029433 JP2020029433W WO2022024344A1 WO 2022024344 A1 WO2022024344 A1 WO 2022024344A1 JP 2020029433 W JP2020029433 W JP 2020029433W WO 2022024344 A1 WO2022024344 A1 WO 2022024344A1
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WO
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optical
reception system
transmitter
optical transmission
nrz
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PCT/JP2020/029433
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English (en)
French (fr)
Inventor
卓磨 相原
慎治 松尾
達郎 開
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters

Definitions

  • the present invention relates to an optical transmission / reception system and a transmitter for transmitting / receiving multi-valued signals.
  • Direct modulation laser DML, Direct modulation laser
  • EA-DFB Electro-absorption digital
  • EO Electric / optical
  • PAM4 Direct modulation laser
  • DML Direct modulation laser
  • EA-DFB Electro-absorption digital
  • EO Electric / optical
  • PAM4 Direct modulation laser
  • a laser is used.
  • the directly modulated laser is excellent in terms of power consumption, device size, and manufacturing cost.
  • the band speed of a directly modulated laser is dictated by the slower of the relaxed oscillation frequency and the CR time constant.
  • the relaxed vibration frequency depends on the injection current of the laser.
  • the relaxation vibration frequency increases in proportion to the 1/2 power of the injection current. That is, when a four-value modulation is applied using a direct modulation laser to generate a PAM4 signal, the band speed differs depending on the signal level, so that skew occurs and the signal is distorted.
  • the degree of modulation depends on the modulation bias due to the mechanism of light absorption. That is, a linear modulation degree with respect to the modulation bias cannot be obtained. Therefore, the degree of modulation differs depending on the signal level, and the signal is distorted. As a result, the dynamic quenching ratio cannot be increased. Distortion of these signals deteriorates the bit error rate, and thus becomes a rate-determining factor for transmission capacity and distance.
  • Non-Patent Document 1 discloses a technique of generating a PAM4 signal by modulating each of them with NRZ using two directly modulated lasers having the same characteristics and combining them. At this time, the ratio of the optical output of each directly modulated laser is 2: 1. In this method, each directly modulated laser can be driven with the same injection current and the band speeds can be made uniform, so that skew generation, that is, signal distortion can be suppressed.
  • Non-Patent Document 1 additional optical components such as a combiner and a polarization rotating element are required for signal attenuation, which is caused by an increase in device size and optical loss. Attenuation of the resulting signal power and deterioration of signal quality become problems.
  • the optical transmission / reception system includes a transmitter having a light source that outputs a plurality of different patterns of NRZ optical signals, an optical fiber that propagates light in a plurality of modes, and an optical fiber. It includes a photodiode and an optical waveguide, and includes a receiver that receives a multi-valued signal generated from the NRZ optical signal.
  • the transmitter according to the present invention is a transmitter that propagates output light to an optical fiber and transmits a multi-valued signal to a receiver, and includes a light source that outputs a plurality of different patterns of NRZ optical signals.
  • the optical fiber is characterized in that it propagates light in a plurality of modes.
  • the optical transmission / reception system includes a transmitter having a plurality of light sources that output a plurality of different patterns of NRZ optical signals, an element that combines the plurality of NRZ signals, a single-mode fiber, and a photo. It comprises a diode, a single-mode optical waveguide, and a receiver for receiving a multi-valued signal generated from the NRZ optical signal.
  • an optical transmission / reception system and a transmitter including a small transmitter / receiver for transmitting / receiving a multi-valued signal.
  • FIG. 1A is a diagram showing a configuration of an optical transmission / reception system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line IB-IB'of a directly modulated laser in the optical transmission / reception system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the optical output characteristics of the light source in the optical transmission / reception system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the optical transmission / reception system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing another configuration of the transmitter in the optical transmission / reception system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a diagram showing a configuration of an optical transmission / reception system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line IB-IB'of a directly modulated laser in the optical transmission / reception system according to
  • FIG. 5 is a diagram for explaining other operations of the optical transmission / reception system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an optical transmission / reception system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing another configuration of the transmitter in the optical transmission / reception system according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing another configuration of the transmitter in the optical transmission / reception system according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a transmitter in an optical transmission / reception system according to a modification of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing another configuration of the transmitter in the optical transmission / reception system according to the modification of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of an optical transmission / reception system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an optical transmission / reception system according to a first modification of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a transmitter and an optical fiber in the optical transmission / reception system according to the second modification of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a transmitter and an optical fiber in the optical transmission / reception system according to the second modification of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration of an optical transmission / reception system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an optical transmission / reception system according to a first modification of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a transmitter and an optical fiber in the optical transmission / reception system according to the second modification
  • FIG. 16 is a diagram showing another configuration of the optical transmission / reception system according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram showing a configuration of an optical transmission / reception system according to a modified example of the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining an optical transmission method in an optical transmission / reception system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows the configuration of the optical transmission / reception system according to the first embodiment.
  • the optical transmission / reception system 10 includes a transmitter 101, an optical fiber 13, and a receiver 102.
  • the transmitter 101 includes direct modulation lasers DML111 and DML112 as light sources, and includes optical waveguides 121 and 122 connected to each.
  • the optical fiber is a multimode optical fiber (MMF, Multimode fiber) 13.
  • the receiver 102 includes a photodiode (PD, Photo-diode) 15 and a multimode optical waveguide 14.
  • PD photodiode
  • the receiver 102 includes a photodiode (PD, Photo-diode) 15 and a multimode optical waveguide 14.
  • the DML111 and DML112 are distributed feedback type lateral current injection type semiconductor lasers and are integrated on a silicon substrate (for example, T. Aihara et al., “Membrane purchased-heterostructure DFB laser with an optically coupled III”. -V / Si waveguide ”Optics Express, Vol. 27, Issue 25, pp. 36438-36448 (2019), S. Matsuo et al.,“ Directly modified buried heterostructure DFB laser on SiO2 / Si substrate fabricated by regard of InP bonded active layer, ”Opt. Express 22 (10), 12139-12147 (2014).).
  • FIG. 1B shows an example of a cross-sectional view of IB-IB'in FIG. 1A, that is, a layer structure of DML111.
  • the active layer 11103 is provided on the silicon oxide (SiO2) layer 11102 on the silicon (Si) substrate 11101.
  • the SiO2 layer 11102 below the active layer 11103 has a Si optical waveguide 121.
  • the layer thickness of the Si optical waveguide 121 is 220 nm, and the width is 840 nm.
  • n-type InP layer 11104 has an n-type InP layer 11104 and a p-type InP layer 11107 in the lateral direction (horizontal direction) with the active layer 11103 interposed therebetween.
  • the n-type InGaAs contact layer 11105 and the n-type electrode 11106 are sequentially provided on the surface of a part of the n-type InP layer 11104.
  • the p-type InGaAs contact layer 11108 and the p-type electrode 11109 are sequentially provided on the surface of a part of the p-type InP layer 11107.
  • a diffraction grating 11110 made of SiN is provided on the active layer 11104, and a SiO2 surface layer 11111 is provided on the diffraction grating 11110.
  • the depth of the diffraction grating 11110 is 20 nm.
  • the active layer 11103 is, for example, an InGaAsP-based multiple quantum well (MQW, Multi-quantum well) having a wavelength band of 1.55 ⁇ m and consisting of five well layers.
  • the active layer 11103 has a layer thickness of 230 nm and a width of 600 nm.
  • the active layer 11103 may correspond to another wavelength band, or may be made of another semiconductor material such as GaAs.
  • the diffraction grating 11110 may be formed on the surface layer of the active layer instead of SiN. Further, it may be formed below the active layer instead of above it.
  • the DML111 and DML112 are transverse current injection type semiconductor lasers, they have a small parasitic capacitance and enable high-speed direct modulation. Further, since the active layer cross-sectional area is small and the active layer light confinement is high, low threshold oscillation operation, that is, low power operation is possible.
  • silicon optical waveguides 121 and 122 are loaded below the DML111 and the DML112, and are optically coupled to the DML111 and the DML112. As a result, the oscillated light of the DML 111 and 112 propagates through the optical waveguides 121 and 122 and is output from the transmitter 101.
  • the oscillated light of DML111 and 112 is optically coupled to the single-mode waveguides 121 and 122, respectively.
  • the single-mode waveguides 121, 122 are adjacent to each other without being optically coupled and are formed up to the end of the transmitter 101.
  • FIG. 2 shows the characteristic 161 of the DML 111 and the characteristic 161 of the DML 112.
  • the threshold current of DML111 is about 0.5 mA, the drive current is 1 mA, and the optical output is about 2 mW.
  • the threshold current of the DML 112 is about 0.2 mA, the drive current is 0.5 mA, and the optical output is about 1 mW.
  • the NRZ optical signal output from the optical waveguides 121 and 122 is input to the optical fiber 13. Since the optical fiber is MMF13 and has a large core diameter, the output light from the optical waveguides 121 and 122 can be coupled to MMF13 with low loss.
  • a multimode fiber MMF13 having a large core diameter can be used.
  • the optical signal propagating through the multimode fiber MMF 13 is coupled to the multimode waveguide in the receiver 102 and received by the PD 15.
  • the PD15 is a multimode waveguide type photodiode having the same layer structure as the DML111 and 112 (for example, Y. Maeda et al., “Si-waveguide Coupled InGaAsP-MQW Photodetector with Large Bandwidth at High Optical Input Power”. OFC2020 accepted.). Since the PD 15 has a multi-mode waveguide, it can receive light propagating in the multi-mode. Moreover, since it is a waveguide type photodiode, it has a small parasitic capacitance and can operate at high speed.
  • FIG. 3 shows an example of an NRZ signal transmitted by an optical transmission / reception system.
  • the DML111 is directly modulated by the electric signal 171 of the NRZ signal, and outputs an optical signal (hereinafter referred to as "NRZ optical signal") 171 of the NRZ signal having a similar pattern.
  • the DML 112 is directly modulated by an electric signal 172 having a pattern different from the NRZ signal input to the DML 111, and outputs an NRZ optical signal 172 having a similar pattern.
  • the ratio of the signal intensities of the NRZ optical signal 171 and the NRZ optical signal 172 is 2: 1.
  • the NRZ optical signal 171 from DML111 and the NRZ optical signal 172 from DML112 are input to MMF13, and the two signals are added. At this time, since the ratio of the signal intensities of the NRZ optical signal 171 and the NRZ optical signal 172 is 2: 1, the PAM4 signal 173, which is a multi-valued (four-valued) signal, is generated.
  • the PAM4 signal 173 is generated by setting the signal intensity ratio of the NRZ optical signal 171 and the NRZ optical signal 172 to 2: 1, that is, the ratio of the optical outputs of the DML 111 and the DML 112 to 2: 1. ..
  • the ratio of the lengths of DML111 and DML112, that is, the area of the active layer is 2: 1.
  • the DML 112 can be driven with a low threshold current because the element length is short and the area of the active layer is small.
  • the thermal resistance is high, the light output is limited to about 2 mW at the maximum, and it is difficult to output high-power light.
  • the DML111 has a threshold current about twice that of the DML112, but has an optical output of 2 mW or more and can output high-output light.
  • the oscillation light of two semiconductor lasers having different outputs (output ratio is 2: 1) is used.
  • the light output of one semiconductor laser (DML111) is high, and the light output of the other semiconductor laser (DML112) is low. Therefore, it is not necessary for both semiconductor lasers to have high output, and it is sufficient for one semiconductor laser to output oscillating light with a lower output than the other. Therefore, in the present embodiment, the DML 112 is a semiconductor laser that outputs low-output oscillating light. Since the DML 112 can be driven with a low threshold current, the power consumption of the entire transmitter is lower than that of a configuration using two semiconductor lasers having the same performance (same threshold current).
  • the transmitter 101 can be miniaturized and the loss can be reduced.
  • a configuration using SMF for a conventional optical fiber requires a spatial optical system such as a wavelength filter and a combiner (MUX, Multiplexer) such as a polarization beam combiner (PBC). Therefore, in this configuration, the system becomes larger and more complicated, the cost increases, and the signal quality deteriorates due to the attenuation of the signal strength (output).
  • MUX, Multiplexer a polarization beam combiner
  • the transmitter 101 can be miniaturized and the loss can be reduced.
  • optical waveguides 121 and 122 are loaded in the DML 111 and the DML 112, respectively, but the present invention is not limited to this.
  • the optical waveguides 121 and 122 may be formed on a silicon substrate, respectively, and may be coupled to and integrated with the emission end faces of the DML 111 and the DML 112. In this case, the light confinement of the active layer becomes high, and direct modulation with further low power consumption becomes possible.
  • Si is used for the optical waveguide, but SiOxNy may be used.
  • DML111 and DML112 may be formed on the InGaAsP optical waveguide on the InP substrate to load the optical waveguide.
  • the DML111, the DML112, and the optical waveguide are formed on the InP substrate.
  • the waveguide may be coupled and integrated on the emission end faces of the DML111 and the DML112, even if the structure is not loaded.
  • a transverse current injection type semiconductor laser is used for DML111 and DML112
  • a PAM4 signal can also be generated by using a normal longitudinal current injection type semiconductor laser.
  • a waveguide type photodiode is used for the PD15
  • a PAM4 signal can be received even if a surface type photodiode is used.
  • the cross-sectional structure of PD15 is the same layer structure (cross-sectional structure) as DML111 and 112 is shown, it does not have to be the same layer structure.
  • PAM16 is a multi-valued (16-valued) signal by using four directly modulated lasers as light sources and setting the ratio of each light output to 1: 2: 4: 8. Can generate signals. In this way, by increasing the number of directly modulated lasers, it is possible to increase the multivalued degree and further expand the transmission capacity.
  • an example of modulating a plurality of (two) directly modulated lasers with a plurality of (two) different patterns of NRZ signals is shown, but as shown in FIG. 5, a plurality of the same patterns of the same pattern are shown.
  • a plurality of directly modulated lasers may be modulated by the NRZ signal.
  • the signal strength increases as the number of directly modulated lasers increases, and a binary signal having a good SN ratio (SNR, Signal to noise ratio) can be obtained.
  • SNR Signal to noise ratio
  • the optical transmission / reception system according to the present embodiment is the optical transmission / reception system according to the first embodiment in which the semiconductor laser is directly modulated in that the semiconductor laser is externally modulated as a light source in the generation of the NRZ optical signal in the transmitter. Is different.
  • FIG. 6 shows the configuration of the transmitter according to the second embodiment.
  • the transmitter comprises EA modulator integrated DFB (EA-DFB) lasers 211, 212 as a light source and optical waveguides 221 and 222 connected to each.
  • EA-DFB EA modulator integrated DFB
  • the NRZ optical signals of different patterns output from the optical waveguides 221 and 222 are coupled to the MMF and propagated, and are received by the receiver as PAM4 signals, as in the first embodiment.
  • the transmitter according to the first embodiment directly modulates the semiconductor laser, the output NRZ optical signal depends on the electric signal input to the semiconductor laser. As a result, the waveform of the output signal is distorted.
  • the oscillation light of the semiconductor laser (DFB laser) is externally modulated by the EA modulator, so that the output signal depends on the electric signal input to the semiconductor laser. Since the modulation can be performed at the same bias point without any problem, the degree of modulation does not differ depending on the signal level. As a result, it is possible to suppress the distortion of the waveform caused by the difference in the degree of modulation depending on the signal level.
  • the band frequency of the EA-DFB laser is not rate-determined by the relaxation vibration frequency, it is possible to perform the modulation operation at a higher speed than the configuration in which the semiconductor laser is directly modulated.
  • a semiconductor laser (LD) 311 and 312 and an external modulator are used.
  • LD semiconductor laser
  • MZM Mach-Zehnder modulator
  • the oscillating light of one semiconductor laser (LD) 311 is divided by a power splitter (PS, Power splitter) 341, and each light is modulated by MZM331 and 332 and used as a light source. You may. In this case, since there is only one semiconductor laser, the transmitter can be miniaturized.
  • PS Power splitter
  • FIG. 9 shows the configuration of the transmitter according to the modified example of the second embodiment.
  • semiconductor amplifiers SOA, Semiconducor Optical Amplifier
  • 351 and 352 are used instead of the MZM331 and 332 in the transmitter according to the second embodiment.
  • the SOA 351 and 352 are combined with the DML 341 and 342, respectively, and used as a light source.
  • the light intensity ratio can be adjusted to a desired value, and high light intensity light can be output.
  • variable optical attenuators VOA, Variable optical attenuator 361 and 362 may be used.
  • the intensity of the output of the semiconductor laser is attenuated and adjusted by VOA.
  • SOA spontaneous emission light
  • ASE Applied spontaneous emission
  • the optical transmission / reception system has substantially the same configuration and effect as that of the first embodiment, but uses a number mode fiber (FMF, Few mode fiber) as the optical fiber and a transmitter.
  • FMF number mode fiber
  • a mode duplexer (Mode MUX) and a mode duplexer (Mode DeMUX) are used for the duplexer (for example, D D. Dai et al., “Silicon mode (de) multiplexer enable high capacity photonic”. networks-on-chip with a single-wavelength-carrier light ”OPTICS LETTERS / Vol. 38, No. 9 / May 1, 2013.)
  • FIG. 11 shows the configuration of the optical transmission / reception system 40 according to the third embodiment.
  • the optical transmission / reception system includes a transmitter 401, an FMF 441, and a receiver 402.
  • the transmitter 401 includes a DML 411 and 412 as a light source, a mode combiner (Mode MUX) 431, and an optical waveguide 42 connecting the DML 411 and 412 and the mode combiner 431.
  • a mode combiner Mode MUX
  • the output light output from the mode combiner 431 is coupled to the FMF 441 and propagates.
  • the receiver 402 includes a mode demultiplexer (Mode DeMUX) 45, a coupler (CP, Coupler) 47, a PD 48, and a single-mode optical waveguide 46 for connecting each element.
  • the signal light propagating through the FMF 441 is input to the mode demultiplexer 45, coupled by the coupler 47 via the plurality of single-mode optical waveguides 46, coupled to the single single-mode optical waveguide 461, and received by the PD48. Will be done.
  • the NRZ optical signals of different patterns output from the DML 411 and 412 are coupled to the FMF 441 and propagated as in the first embodiment, and are received by the receiver 402 as PAM4 signals.
  • FIG. 12 shows a configuration of an optical transmission / reception system according to a modified example of the third embodiment.
  • a multi-core fiber (MCF, Multi-core fiber) 442 is used instead of the FMF 441 in the optical transmission / reception system according to the third embodiment.
  • each optical waveguide 42 of the transmitter is arranged so as to be coupled to each core of the MCF.
  • each optical waveguide of the receiver is arranged so as to be coupled to each core of the MCF.
  • each core in the MCF 442 can transmit in a single mode with the same propagation constant, so that mode dispersion can be suppressed and a longer distance signal can be transmitted. Become.
  • the optical waveguide in the transmitter is configured as a three-dimensional waveguide.
  • a three-dimensional waveguide is formed from a waveguide 42 connected to each DML 411 to 414 as a light source by using an optical coupler 432 and coupled to the FMF 441.
  • each waveguide 42 of the three-dimensional waveguide is coupled to each core of the MCF 442.
  • NRZ optical signals output from a plurality of directly modulated lasers can be propagated three-dimensionally, coupled to an optical fiber, and propagated.
  • a directly modulated laser is used as the light source, but an external modulation method such as EA-DFB or MZM may be used as the light source.
  • the optical transmission / reception system according to the fourth embodiment uses SMF as the optical fiber.
  • FIG. 15 shows the configuration of the optical transmission / reception system 50 according to the fourth embodiment.
  • the optical transmission / reception system includes a transmitter 501, an SMF 55, and a receiver 502.
  • the transmitter 501 is a single-mode optical beam that connects DML511, 512 as a light source, a phase shifter (PhS, Phase shifter) 531 and 532, a multimode optical interference waveguide (MMI, Multi0mode interferometer) 541, and their respective elements. It is provided with a waveguide 52.
  • the optical waveguide 521 on the output side is coupled to the SMF55.
  • the receiver 502 includes a PD 57 and a single-mode optical waveguide 56, and the single-mode optical waveguide 56 is coupled to the SMF 55.
  • the NRZ optical signals output from DML511 and 512 are combined in phase with PhS531 and 532, respectively, and combined with MMI541, and output in single mode.
  • the single mode optical signal output from the transmitter 501 is coupled to the SMF 55 and propagated.
  • the optical signal propagating through the SMF 55 is received by the PD 502 as a PAM4 signal in the receiver 502 via the optical waveguide 56.
  • optical transmission / reception system since SMF55 is used, optical signal transmission over a long distance becomes possible at low cost.
  • phase shifters 531 and 532 are used, but as shown in FIG. 16, SOA533, 534 can also be used.
  • the output from the transmitter is coupled to the SMF by polarization multiplexing using a polarization beam coupling circuit (PBC, Polarization beam combiner) and PR (Polaration rotor).
  • PBC polarization beam coupling circuit
  • PR Polyration rotor
  • FIG. 17 shows the configuration of the optical transmission / reception system according to this modification.
  • the optical transmission / reception system according to this modification includes a transmitter 501, an SMF 55, and a receiver 502.
  • the SMF 55 and the receiver 502 have the same configuration as the optical transmission / reception system according to the fourth embodiment.
  • the transmitter 501 includes a DML 511, 512, a PBC 542, a PR 535, and an optical waveguide 52 connecting each element as a light source.
  • the DML 511 connects to the PBC 542 via an optical waveguide 52.
  • the DML 512 connects to the PBC 542 via the PR535 and the optical waveguide 52.
  • PBC542 and PR535 are manufactured on a Si substrate by Si photonics technology and have small size and low light loss characteristics (for example, H. Fukuda et al., “Silicon photonic circuit with polarization diversity,” Opt. .Express 16 (7), 4872-4880 (2008).).
  • DML511 outputs either TM polarized wave or TE polarized wave.
  • the light output from the DML 512 is converted into either TM polarized wave or TE polarized wave by PR535.
  • PR535 the combination of TM polarization and TE polarization is combined to generate a multi-valued signal.
  • the optical transmission / reception system uses a modulation method using an NRZ signal in that a discrete multitone (DMT, Discrete-multitone) modulation method is used. different.
  • DMT discrete multitone
  • data is divided into a large number of subcarriers (carrier waves), and high-speed transmission is realized by using multi-valued modulation for each subcarrier.
  • the optical transmission / reception system according to the fifth embodiment uses the same configuration as that of the first embodiment.
  • the transmission characteristics of DML111 and 112 as light sources in direct modulation are different.
  • DML111 and 112 having the characteristics shown in FIG. 18 are used.
  • the transmission characteristic 611 of the DML111 has a high SNR at low frequencies, but has a low SNR at high frequencies.
  • the transmission characteristic 612 of the DML112 has an SNR that is not high at low wavenumbers, but is relatively high in a wide high frequency band.
  • quadrature amplitude modulation QAM, Quadrature amplifier modulation
  • 64QAM 64QAM for the transmission characteristic 611 and 32QAM for the transmission characteristic 612.
  • DML111 has good low frequency transmission characteristics, so it is modulated by the subcarrier on the low frequency side.
  • DML 112 since the DML 112 has relatively good transmission characteristics on the high frequency side, it is modulated by the subcarrier on the high frequency side.
  • the oscillation light of the semiconductor laser may be externally modulated and used as the light source.
  • a transmitter and a receiver are integrated with an optical waveguide formed on a Si substrate, but the present invention is not limited to this.
  • An element such as a semiconductor laser may be connected to an optical waveguide or an optical fiber for mounting.
  • the present invention can be applied to a large-capacity optical communication system.
  • Optical transmission / reception system 101 Transmitter 102 Receiver 111, 112 Direct modulation laser 121, 122 Optical waveguide 13 Optical fiber 14 Optical waveguide 15 Photodiode

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Abstract

本発明の光送受信システム（１０）は、複数の異なるパターンのＮＲＺ光信号を出力する光源を有する送信器（１０１）と、複数のモードの光を伝搬する光ファイバ（１３）と、フォトダイオード（１５）と光導波路（１４）を備え、前記ＮＲＺ光信号から生成される多値信号を受信する受信器（１０２）とを備える。　これにより、多値信号を送受信する、小型の送信器および受信器を備える光送受信システムを提供できる。

Description

光送受信システムおよび送信器
　本発明は、多値信号を送受信する光送受信システムおよび送信器に関する。
　通信トラフィックの増大に伴い、大容量光送受信器の要求が高まっている。伝送容量の拡大に向けて、信号の多値化、多重化、高ボーレート化が進められている。従来の短距離通信では、２つのレベルのパルス信号として伝送するＮＲＺ（Ｎｏｎ－ｒｅｔｕｒｎ－ｔｏ－ｚｅｒｏ）符号が用いられていたが、伝送容量の拡大のために、４つのレベルのパルス信号として伝送するＰＡＭ４（４－ｌｅｖｅｌ　ｐｕｌｓｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）符号が近年用いられている。ＰＡＭ４信号は、４値の信号を用いることから、ＮＲＺ信号に比べ２倍のデータレートで信号の伝送が可能となる。
　ＰＡＭ４の光信号を生成するための電気／光（ＥＯ、Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ）変換器として、直接変調レーザ（ＤＭＬ、Ｄｉｒｅｃｔ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｌａｓｅｒ）やＥＡ変調器集積ＤＦＢ（ＥＡ－ＤＦＢ、Ｅｌｅｃｔｒｏ－ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザが用いられる。特に、直接変調レーザは、消費電力やデバイスサイズ、製造コストの面で優れている。一般に、直接変調レーザの帯域速度は、緩和振動周波数とＣＲ時定数のうちより遅いほうに律速される。緩和振動周波数は、レーザの注入電流に依存する。具体的には、注入電流の１／２乗に比例して緩和振動周波数が増加する。すなわち、直接変調レーザを用いて４値の変調を与えＰＡＭ４信号を生成する場合、信号のレベルによって帯域速度が異なるため、スキューが発生し、信号が歪む。
　また、ＥＡ－ＤＦＢレーザを用いる場合、光吸収のメカニズムに起因して変調度が変調バイアスに依存する。すなわち、変調バイアスに対して線形な変調度が得られない。そのため、信号レベルによって、変調度が異なり、信号が歪む。結果的に、動的消光比が上げられない。これらの信号の歪みは、ビットエラーレートを劣化させるため、伝送容量や距離の律速要因となる。
　そこで、非特許文献１に、同じ特性の２台の直接変調レーザを用いて、それぞれをＮＲＺで変調し、それらを合波することで、ＰＡＭ４信号を生成する技術が開示されている。このとき、それぞれの直接変調レーザの光出力の比は、２：１とする。この方法では、それぞれの直接変調レーザを同等の注入電流で駆動し、帯域速度を揃えることができるので、スキューの発生、すなわち信号の歪みを抑えることができる。
　しかしながら、非特許文献１に開示された技術では、信号の合波のために、合波器や偏波回転素子などの付加的な光部品が必要になり、デバイスサイズの増大や光損失に起因した信号パワーの減衰、さらに信号品質の劣化が問題となる。
　上述したような課題を解決するために、本発明に係る光送受信システムは、複数の異なるパターンのＮＲＺ光信号を出力する光源を有する送信器と、複数のモードの光を伝搬する光ファイバと、フォトダイオードと光導波路を備え、前記ＮＲＺ光信号から生成される多値信号を受信する受信器とを備える。
　また、本発明に係る送信器は、出力光を光ファイバに伝搬させて、受信器に多値信号を送信する送信器であって、複数の異なるパターンのＮＲＺ光信号を出力する光源を備え、前記光ファイバが複数のモードの光を伝搬することを特徴とする。
　また、本発明に係る光送受信システムは、複数の異なるパターンのＮＲＺ光信号を出力する複数の光源と、前記複数のＮＲＺ信号を合波する素子とを有する送信器と、シングルモードファイバと、フォトダイオードとシングルモード光導波路を備え、前記ＮＲＺ光信号から生成される多値信号を受信する受信器とを備える。
　本発明によれば、多値信号を送受信する、小型の送信器および受信器を備える光送受信システムおよび送信器を提供できる。
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る光送受信システムの構成を示す図である。 図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る光送受信システムにおける直接変調レーザのＩＢ－ＩＢ’断面図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光送受信システムにおける光源の光出力特性を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る光送受信システムの動作を説明するための図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る光送受信システムにおける送信器の他の構成を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る光送受信システムの他の動作を説明するための図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光送受信システムの構成を示す図である。 図７は、本発明の第２の実施の形態に係る光送受信システムにおける送信器の他の構成を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る光送受信システムにおける送信器の他の構成を示す図である。 図９は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る光送受信システムにおける送信器の構成を示す図である。 図１０は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る光送受信システムにおける送信器の他の構成を示す図である。 図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る光送受信システムの構成を示す図である。 図１２は、本発明の第３の実施の形態の変形例１に係る光送受信システムの構成を示す図である。 図１３は、本発明の第３の実施の形態の変形例２に係る光送受信システムにおける送信器と光ファイバの構成を示す図である。 図１４は、本発明の第３の実施の形態の変形例２に係る光送受信システムにおける送信器と光ファイバの構成を示す図である。 図１５は、本発明の第４の実施の形態に係る光送受信システムの構成を示す図である。 図１６は、本発明の第４の実施の形態に係る光送受信システムの他の構成を示す図である。 図１７は、本発明の第４の実施の形態の変形例に係る光送受信システムの構成を示す図である。 図１８は、本発明の第５の実施の形態に係る光送受信システムにおける光伝送方式を説明するための図である。
＜第１の実施の形態＞
　本発明の第１の実施の形態に係る光送受信システムについて図１～図５を参照して説明する。
　図１に、第１の実施の形態に係る光送受信システムの構成を示す。光送受信システム１０は、送信器１０１と、光ファイバ１３と、受信器１０２を備える。
　送信器１０１は、光源として直接変調レーザＤＭＬ１１１、ＤＭＬ１１２を備え、それぞれに接続する光導波路１２１、１２２を備える。
　光ファイバは、多モード光ファイバ（ＭＭＦ、Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ）１３である。
　受信器１０２は、フォトダイオード（ＰＤ、Ｐｈｏｔｏ－ｄｉｏｄｅ）１５と多モード光導波路１４とを備える。
　ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２は、分布帰還形の横方向電流注入型の半導体レーザであり、シリコン基板上に集積されている（例えば、T. Aihara et al., “Membrane buried-heterostructure DFB laser with an optically coupled III-V/Si waveguide” Optics Express, Vol. 27,Issue 25,pp. 36438-36448 (2019)、S. Matsuo et al., “Directly modulated buried heterostructure DFB laser on SiO2/Si substrate fabricated by regrowth of InP using bonded active layer,” Opt. Express 22 (10), 12139-12147 (2014).）。
　ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２は、同様の層構造を有する。図１Ｂに、図１ＡにおけるＩＢ－ＩＢ’断面図すなわちＤＭＬ１１１の層構造の一例を示す。
　シリコン（Ｓｉ）基板１１１０１上の酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１１１０２上に、活性層１１１０３を有する。活性層１１１０３の下方のＳｉＯ２層１１１０２には、Ｓｉ光導波路１２１を有する。Ｓｉ光導波路１２１の層厚は２２０ｎｍ、幅は８４０ｎｍである。
　また、活性層１１１０３を挟んで横方向（水平方向）にそれぞれｎ型ＩｎＰ層１１１０４とｐ型ＩｎＰ層１１１０７を有する。ｎ型ＩｎＰ層１１１０４の一部の表面上に順次ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１１０５、ｎ型電極１１１０６を有する。また、ｐ型ＩｎＰ層１１１０７の一部の表面上に順次ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１１０８、ｐ型電極１１１０９を有する。
　活性層１１１０４の上にはＳｉＮからなる回折格子１１１１０を有し、回折格子１１１１０の上にＳｉＯ２表面層１１１１１を有する。回折格子１１１１０の深さは２０ｎｍである。
　活性層１１１０３は、例えば、５層の井戸層からなる１．５５μｍ波長帯のＩｎＧａＡｓＰ系多重量子井戸（ＭＱＷ、Ｍｕｌｔｉ－ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ）である。活性層１１１０３の層厚は２３０ｎｍ、幅は６００ｎｍである。活性層１１１０３は、他の波長帯に対応するものでもよく、ＧａＡｓなどの他の半導体材料からなるものであってもよい。
　回折格子１１１１０は、ＳｉＮではなく、活性層の表面層に形成されてもよい。また、活性層の上方でなくても下方に形成されてもよい。
　ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２は、横方向電流注入型の半導体レーザなので、寄生容量が小さく、高速な直接変調を可能とする。また、活性層断面積が小さく、活性層光閉じ込めが高いので、低閾値発振動作すなわち低電力動作が可能である。
　上述の通り、ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２の下方には、シリコン光導波路１２１、１２２が装荷されており、ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２と光学的に結合している。その結果、ＤＭＬ１１１、１１２の発振光は、光導波路１２１、１２２を伝播して、送信器１０１から出力される。
　このように、ＤＭＬ１１１、１１２の発振光は、それぞれシングルモード導波路１２１，１２２に光学的に結合している。シングルモード導波路１２１、１２２は、光学的に結合することなく互いに隣接して、送信器１０１の端部まで形成される。
　ここで、ＤＭＬ１１１の長さは１００μｍであり、ＤＭＬ１１２のレーザの長さは５０μｍである。図２に、ＤＭＬ１１１の特性１６１と、ＤＭＬ１１２の特性１６１を示す。
　ＤＭＬ１１１の閾値電流は０．５ｍＡ程度であり、駆動電流が１ｍＡで光出力が２ｍＷ程度である。一方、ＤＭＬ１１２の閾値電流は０．２ｍＡ程度であり、駆動電流が０．５ｍＡで光出力が１ｍＷ程度である。
　光導波路１２１、１２２から出力されるＮＲＺ光信号は、光ファイバ１３に入力する。光ファイバは、ＭＭＦ１３でありコア径が大きいので、光導波路１２１、１２２からの出力光は、低損失でＭＭＦ１３に結合することができる。
　従来の遠距離での伝送においては波長分散の影響を抑制するため、コア径が小さいシングルモードファイバ（ＳＭＦ、Ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ）を用いる必要があり、送信器１０１からの複数の光信号を低損失で、直接ファイバに入力することは困難である。
　本実施の形態では、１ｋｍ程度の近距離での伝送に用いるため、コア径が大きい多モードファイバＭＭＦ１３を用いることができる。
　多モードファイバＭＭＦ１３を伝搬する光信号は、受信器１０２における多モード導波路に結合し、ＰＤ１５で受信される。
　ＰＤ１５は、ＤＭＬ１１１、１１２と同様の層構造を有する多モード導波路型フォトダイオードである（例えば、Y. Maeda et al., “Si-waveguide Coupled InGaAsP-MQW Photodetector with Large Bandwidth at High Optical Input Power” OFC2020 accepted.）。ＰＤ１５は、多モード導波路を有するので多モードで伝搬する光を受光できる。また、導波路型フォトダイオードであるので、寄生容量が小さく、高速動作が可能である。
　本実施の形態の光送受信システムの動作を説明する。図３に、光送受信システムで伝送するＮＲＺ信号の一例を示す。
　ＤＭＬ１１１は、ＮＲＺ信号の電気信号１７１により直接変調され、同様のパターンのＮＲＺ信号の光信号（以下、「ＮＲＺ光信号」という。）１７１を出力する。ＤＭＬ１１２は、ＤＭＬ１１１に入力されるＮＲＺ信号とは異なるパターンの電気信号１７２により直接変調され、同様のパターンのＮＲＺ光信号１７２を出力する。ここで、ＮＲＺ光信号１７１とＮＲＺ光信号１７２との信号強度の比は２：１である。
　ＤＭＬ１１１からのＮＲＺ光信号１７１とＤＭＬ１１２からのＮＲＺ光信号１７２とがＭＭＦ１３に入力して、２つの信号が加算される。このとき、ＮＲＺ光信号１７１とＮＲＺ光信号１７２との信号強度の比は２：１なので、多値（４値）信号であるＰＡＭ４信号１７３が生成される。
　このように、ＮＲＺ光信号１７１とＮＲＺ光信号１７２との信号強度の比を２：１、すなわちＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２との光出力の比を２：１とすることにより、ＰＡＭ４信号１７３が生成される。
　上述の通り、ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２の長さすなわち活性層面積の比を２：１としている。図２に示すように、ＤＭＬ１１２は、素子長が短く活性層の面積が小さいので、低閾値電流で駆動できる。反面、熱抵抗が高いため、光出力は最大で２ｍＷ程度に留まり、高出力の光を出力することは困難である。
　一方、ＤＭＬ１１１は、閾値電流はＤＭＬ１１２の２倍程度になるが、光出力は２ｍＷ以上で、高出力の光を出力できる。
　本実施の形態では、出力の異なる（出力比が２：１である）２つの半導体レーザの発振光を用いる。換言すれば、一方の半導体レーザ（ＤＭＬ１１１）の光出力は高く、他方の半導体レーザ（ＤＭＬ１１２）の光出力は低い。したがって、両方の半導体レーザが高出力である必要はなく、一方の半導体レーザは他方に比べて低出力の発振光を出力すれば足りる。そこで、本実施の形態では、ＤＭＬ１１２を低出力の発振光を出力する、一方の半導体レーザとする。ＤＭＬ１１２は低閾値電流で駆動できるので、送信器全体の消費電力は、同じ性能（同じ閾値電流）の２台の半導体レーザを用いる構成に比べて、低い。
　また、本実施の形態では、送信器１０１の小型化、低損失化が可能となる。従来の光ファイバにＳＭＦを用いる構成では、波長フィルタや偏波ビームコンバイナ（ＰＢＣ、ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｂｅａｍ　ｃｏｍｂｉｎｅｒ）などの合波器（ＭＵＸ、Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）等の空間光学系を必要とする。そこで、この構成では、システムの大型化や複雑化、コスト増加とともに、信号強度（出力）の減衰に起因する信号品質の劣化を生じさせる。
　一方、本実施の形態の構成では、合波器を必要としないので、送信器１０１の小型化、低損失化が可能となる。
　本実施の形態では、ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２それぞれに光導波路１２１、１２２が装荷される例を示したが、これに限らない。光導波路１２１、１２２が、それぞれシリコン基板上に形成され、ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２の出射端面に結合されて集積されてもよい。この場合、活性層の光閉じ込めが高くなり、さらなる低消費電力での直接変調が可能となる。
　本実施の形態では、光導波路にＳｉを用いたが、ＳｉＯｘＮｙでもよい。
　本実施の形態では、ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２それぞれにシリコン光導波路１２１、１２２が装荷される例を示したが、これに限らない。ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ光導波路の上にＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２を形成して、光導波路を装荷させてもよい。この場合、ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２と光導波路はＩｎＰ基板上に形成される。
　また、ＩｎＰ光導波路またはＩｎＧａＡｓＰ光導波路を用いる場合には、装荷構造でなくても、ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２の出射端面に導波路が結合されて集積されてもよい。
　本実施の形態では、ＤＭＬ１１１とＤＭＬ１１２に横方向電流注入型の半導体レーザを用いる例を示したが、通常の縦方向電流注入型の半導体レーザを用いても、ＰＡＭ４信号を生成できる。
　本実施の形態では、ＰＤ１５に導波路型のフォトダイオードを用いる例を示したが、面型のフォトダイオードを用いても、ＰＡＭ４信号を受信できる。また、ＰＤ１５の断面構造をＤＭＬ１１１、１１２と同様の層構造（断面構造）とする例を示したが、同様の層構造でなくてもよい。
　本実施の形態では、２台の直接変調レーザを用いる例を示したが、２台でなくても複数の直接変調レーザを用いることができる。例えば、図４に示すように、光源として４台の直接変調レーザを用いて、それぞれの光出力の比を１：２：４：８とすることにより、多値（１６値）信号であるＰＡＭ１６信号を生成できる。このように、直接変調レーザの台数を増加させることにより、多値度を高め、さらなる伝送容量の拡大が可能となる。
　本実施の形態では、複数（２つ）の異なるパターンのＮＲＺ信号で、それぞれ複数（２つ）の直接変調レーザを変調する例を示したが、図５に示すように、複数の同じパターンのＮＲＺ信号で、それぞれ複数の直接変調レーザを変調してもよい。この場合、直接変調レーザの台数の増加に伴い信号強度が高くなり、良好なＳＮ比（ＳＮＲ、Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ）の２値信号が得られる。
＜第２の実施の形態＞
　本発明の第２の実施の形態に係る光送受信システムについて図６～図１０を参照して説明する。
　本実施の形態に係る光送受信システムは、送信器において、ＮＲＺ光信号の生成において、光源として半導体レーザを外部変調する点で、半導体レーザを直接変調する第１の実施の形態に係る光送受信システムと異なる。
　図６に、第２の実施の形態に係る送信器の構成を示す。送信器は、光源としてＥＡ変調器集積ＤＦＢ（ＥＡ－ＤＦＢ）レーザ２１１、２１２を備え、それぞれに接続する光導波路２２１、２２２を備える。
　光導波路２２１、２２２から出力される異なるパターンのＮＲＺ光信号は、第１の実施の形態と同様に、ＭＭＦに結合して伝搬して、ＰＡＭ４信号として、受信器で受信される。
　第１の実施の形態に係る送信器では、半導体レーザを直接変調するので、出力されるＮＲＺ光信号は、半導体レーザに入力される電気信号に依存する。その結果、出力される信号の波形に歪みが生じる。
　本実施の形態では、ＥＡ－ＤＦＢレーザ２１１、２１２において、半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）の発振光をＥＡ変調器で外部変調するので、出力される信号は半導体レーザに入力される電気信号に依存することなく、同じバイアス点で変調することができるので、信号レベルによって変調度が異なることはない。その結果、信号のレベルによって変調度が異なることに起因する波形の歪みを抑制できる。
　また、ＥＡ－ＤＦＢレーザの帯域周波数は、緩和振動周波数によって律速されないので、半導体レーザを直接変調する構成よりも高速での変調動作が可能になる。
　本実施の形態では、２台のＥＡ－ＤＦＢレーザを用いる例を示したが、これに限らず、複数のＥＡ－ＤＦＢレーザを用いることにより、さらなる多値の信号を生成することができる。
　本実施の形態では、複数（２台）のＥＡ－ＤＦＢレーザを用いる例を示したが、これに限らず、図７に示すように、半導体レーザ（ＬＤ）３１１、３１２と外部変調器であるマッハツェンダ変調器（ＭＺＭ、Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）３３１、３３２とを組み合わせて、光源として用いても同様の効果を奏する。
　また、図８に示すように、１台の半導体レーザ（ＬＤ）３１１の発振光をパワースプリッタ（ＰＳ、Ｐｏｗｅｒ　ｓｐｌｉｔｔｅｒ）３４１で分割し、それぞれの光をＭＺＭ３３１、３３２で変調して、光源として用いてもよい。この場合、半導体レーザが１台なので送信器を小型化できる。
＜第２の実施の形態の変形例＞
　図９に、第２の実施の形態の変形例に係る送信器の構成を示す。本変形例では、第２の実施の形態に係る送信器におけるＭＺＭ３３１、３３２に代えて、半導体増幅器（ＳＯＡ、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｏｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）３５１、３５２を用いる。
　本変形例に係る送信器によれば、ＤＭＬ３４１、３４２それぞれに、ＳＯＡ３５１、３５２を組み合わせて、光源として用いる。それぞれのＳＯＡ３５１、３５２のバイアス電流を調整することにより、光強度比を所望の値に調整でき、かつ、高光強度の光を出力することができる。
　また、本変形例では、ＳＯＡ３５１、３５２を用いる例を示したが、図１０に示すように、可変光減衰器（ＶＯＡ、Ｖａｒｉａｂｌｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）３６１、３６２を用いてもよい。
　この構成では、半導体レーザの出力の強度を、ＶＯＡによって減衰して調整する。ＳＯＡを用いる場合には、ＳＯＡの自然放出光（ＡＳＥ、Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ）ノイズがレーザに入射することにより信号品質が劣化する。一方、Ｓｉ製のＶＯＡを用いれば、ＡＳＥノイズが発生しないので信号品質の劣化を抑制できる
＜第３の実施の形態＞
　本発明の第３の実施の形態に係る光送受信システムについて図１１～図１４を参照して説明する。
　第３の実施の形態に係る光送受信システムは、第１の実施の形態と略同様の構成と効果を有するが、光ファイバに数モードファイバ（ＦＭＦ、Ｆｅｗ　ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ）を用いる点と、送信器と受信器において合分波する点が異なる。ここで、合分波には、モード合波器（Ｍｏｄｅ　ＭＵＸ）とモード分波器（Ｍｏｄｅ　ＤｅＭＵＸ）を用いる（例えば、D D. Dai et al., “Silicon mode (de)multiplexer enabling high capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrier light” OPTICS LETTERS / Vol. 38, No. 9 / May 1, 2013.）
　図１１に、第３の実施の形態に係る光送受信システム４０の構成を示す。光送受信システムは送信器４０１とＦＭＦ４４１と受信器４０２とを備える。
　送信器４０１は、光源としてのＤＭＬ４１１、４１２と、モード合波器（Ｍｏｄｅ　ＭＵＸ）４３１と、ＤＭＬ４１１、４１２とモード合波器４３１を接続する光導波路４２を備える。ここで、ＦＭＦ４４１における空間的な伝送領域が狭いので、モード合波器４３１を用いて、ＤＭＬ４１１、４１２の出力光をＦＭＦ４４１に結合させる。
　モード合波器４３１から出力される出力光はＦＭＦ４４１に結合して伝搬する。
　受信器４０２は、モード分波器（Ｍｏｄｅ　ＤｅＭＵＸ）４５と、カプラ（ＣＰ、Ｃｏｕｐｌｅｒ）４７と、ＰＤ４８と、それぞれの素子を接続するシングルモード光導波路４６を備える。ＦＭＦ４４１を伝搬する信号光は、モード分波器４５に入力され、複数のシングルモード光導波路４６を介して、カプラ４７で合波され、単一のシングルモード光導波路４６１に結合され、ＰＤ４８で受信される。
　光送受信システム４０において、ＤＭＬ４１１、４１２から出力される異なるパターンのＮＲＺ光信号は、第１の実施の形態と同様に、ＦＭＦ４４１に結合して伝搬して、ＰＡＭ４信号として、受信器４０２で受信される。
　第３の実施の形態に係る光送受信システムによれば、ＦＭＦ４４１を用いることにより、モード分散を抑えられ、より長距離の信号伝送が可能となる。
＜第３の実施の形態の変形例１＞
　図１２に、第３の実施の形態の変形例に係る光送受信システムの構成を示す。本変形例では、第３の実施の形態に係る光送受信システムにおけるＦＭＦ４４１に代えて、マルチコアファイバ（ＭＣＦ、Ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ　ｆｉｂｅｒ）４４２を用いる。
　本変形例に係る光送受信システムにおいて、送信器の各光導波路４２は、ＭＣＦの各コアに結合するように配置される。また、受信器の各光導波路も、ＭＣＦの各コアに結合するように配置される。この構成により、第３の実施の形態におけるモード合波器とモード分波器が不要になるので、送信器４０１と受信器４０２を小型化、低損失化できる。
　本変形例に係る光送受信システムによれば、ＭＣＦ４４２を用いることにより、ＭＣＦ４４２内の各コアで同じ伝播定数のシングルモードで伝送できるので、モード分散を抑えられ、より長距離の信号伝送が可能となる。
＜第３の実施の形態の変形例２＞
　本変形例では、送信器における光導波路を３次元導波路として構成する。図１３に示すように、光源としての各ＤＭＬ４１１～４１４と接続する導波路４２から、光カプラ４３２を用いて、３次元導波路を構成してＦＭＦ４４１に結合させる。
　また、図１４に示すように、３次元導波路の各導波路４２をＭＣＦ４４２の各コアに結合させる。
　本変形例によれば、複数の直接変調レーザから出力されるＮＲＺ光信号を３次元的に伝搬して光ファイバに結合させて伝搬することができる。
　本実施の形態および本変形例では、光源に直接変調レーザを用いたが、光源にＥＡ－ＤＦＢ、ＭＺＭ等の外部変調方式によるものを用いてもよい。
＜第４の実施の形態＞
　本発明の第４の実施の形態に係る光送受信システムについて図１５～図１７を参照して説明する。
　第４の実施の形態に係る光送受信システムは、光ファイバにＳＭＦを用いる。
　図１５に、第４の実施の形態に係る光送受信システム５０の構成を示す。光送受信システムは、送信器５０１と、ＳＭＦ５５と、受信器５０２とを備える。
　送信器５０１は、光源としてＤＭＬ５１１、５１２と、位相シフタ（ＰｈＳ、Ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔｅｒ）５３１、５３２と、多モード光干渉導波路（ＭＭＩ、Ｍｕｌｔｉ0ｍｏｄｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）５４１と、それぞれの素子を接続するシングルモードの光導波路５２とを備える。出力側の光導波路５２１はＳＭＦ５５に結合する。
　受信器５０２は、ＰＤ５７と、シングルモード光導波路５６とを備え、シングルモード光導波路５６はＳＭＦ５５に結合する。
　送信器５０１において、ＤＭＬ５１１、５１２から出力されるＮＲＺ光信号は、それぞれＰｈＳ５３１、５３２で位相を合わせてＭＭＩ５４１で合波され、シングルモードで出力される。送信器５０１から出力されたシングルモードの光信号は、ＳＭＦ５５に結合して伝搬する。ＳＭＦ５５を伝搬する光信号は、受信器５０２において光導波路５６を介して、ＰＡＭ４信号として、ＰＤ５０２で受信される。
　本実施の形態に係る光送受信システムによれば、ＳＭＦ５５を用いるので、低コストで長距離での光信号伝送が可能になる。
　本実施の形態に係る光送受信システムでは、位相シフタ５３１、５３２を用いたが、図１６に示すように、ＳＯＡ５３３、５３４を用いることもできる。
＜第４の実施の形態の変形例＞
　本変形例では、偏波ビーム結合回路（ＰＢＣ、Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｂｅａｍ　ｃｏｍｂｉｎｅｒ）とＰＲ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｒｏｔａｔｏｒ）を用いて、偏波多重により、送信器からの出力をＳＭＦに結合する。
　図１７に、本変形例に係る光送受信システムの構成を示す。本変形例に係る光送受信システムは、送信器５０１と、ＳＭＦ５５と、受信器５０２とを備える。ＳＭＦ５５と受信器５０２は、第４の実施の形態に係る光送受信システムと同様の構成である。
　送信器５０１は、光源としてＤＭＬ５１１、５１２と、ＰＢＣ５４２と、ＰＲ５３５と、それぞれの素子を接続する光導波路５２を備える。ＤＭＬ５１１は、光導波路５２を介してＰＢＣ５４２に接続する。ＤＭＬ５１２は、ＰＲ５３５と光導波路５２を介してＰＢＣ５４２に接続する。
　ここで、ＰＢＣ５４２と、ＰＲ５３５とは、Ｓｉ基板上にＳｉフォトニクス技術により作製され、小型かつ低光損失の特性を有する（例えば、H. Fukuda et al., “Silicon photonic circuit with polarization diversity,” Opt. Express 16 (7), 4872-4880 (2008).）。
　ＤＭＬ５１１はＴＭ偏波またはＴＥ偏波のいずれかを出力する。ＤＭＬ５１２から出力される光は、ＰＲ５３５によりＴＭ偏波またはＴＥ偏波のいずれかに変換される。その結果、ＰＢＣ５４２ではＴＭ偏波とＴＥ偏波との組み合わせで合波され、多値信号が生成される。
＜第５の実施の形態＞
　本発明の第５の実施の形態に係る光送受信システムについて、図１８を参照して説明する。
　第５の実施の形態に係る光送受信システムでは、離散マルチトーン（ＤＭＴ、Ｄｉｓｃｒｅｔｅ－ｍｕｌｔｉｔｏｎｅ）変調方式を用いる点で、ＮＲＺ信号による変調方式を用いる、第１の実施の形態に係る光送受信システムと異なる。ＤＭＴ変調方式では、データを多数のサブキャリア（搬送波）に分割し、それぞれのサブキャリアに多値変調を用いることで高速伝送を実現する。
　第５の実施の形態に係る光送受信システムは、第１の実施の形態と同様の構成を用いる。
　光源としてのＤＭＬ１１１、１１２の直接変調における伝送特性が異なる。例えば、図１８に示すような特性を有するＤＭＬ１１１、１１２を用いる。ＤＭＬ１１１の伝送特性６１１は、低周波数ではＳＮＲが高いが、高周波数ではＳＮＲが低い。
　一方、ＤＭＬ１１２の伝送特性６１２は、ＳＮＲが低波数数では高くないが、広い高周波帯で比較的高い。ＤＭＬ１１１、１１２それぞれの伝送特性６１１、６１２におけるＳＮＲが高い周波数帯域は、多値度が高い直交振幅変調（ＱＡＭ、Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、例えば、伝送特性６１１では６４ＱＡＭ、伝送特性６１２では３２ＱＡＭを用いる。
　ＤＭＬ１１１は、低周波数の伝送特性が良いので、低周波側のサブキャリアで変調する。一方、ＤＭＬ１１２は、高周波側の伝送特性が比較的良いので、高周波側のサブキャリアで変調する。
　このように、光源として伝送特性の異なる複数の直接変調レーザを用いることにより、実効的に伝送特性６１３で、ＤＭＴ変調方式により伝送を行うことができる。また、光源として半導体レーザの発振光を外部変調して用いてもよい。
　本発明に係る実施の形態において、シングルモード光導波路を用いる形態では、各導波路が互いに独立し、光学的に結合しない例を示したが、これに限らない。例えば、シングルモード光導波路それぞれを積極的に結合させることにより、モード合波器やモード分波器の機能をもたせることもできる。
　本発明に係る実施の形態では、送信器と受信器をそれぞれにおいて、半導体レーザなどの素子をＳｉ基板上に形成された光導波路と集積する例を示したが、これに限らない。半導体レーザなどの素子と光導波路や光ファイバを接続して実装してもよい。
　本発明の実施の形態では、光送受信システムなどにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。本発明に係る光送受信システムの機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
  本発明は、大容量光通信システムに適用することができる。
１０　光送受信システム
１０１　送信器
１０２　受信器
１１１、１１２　直接変調レーザ
１２１、１２２　光導波路
１３　光ファイバ
１４　光導波路
１５　フォトダイオード

Claims (9)

  1. 　複数の異なるパターンのＮＲＺ光信号を出力する光源を有する送信器と、
    　複数のモードの光を伝搬する光ファイバと、
    　フォトダイオードと光導波路を備え、前記ＮＲＺ光信号から生成される多値信号を受信する受信器と
    　を備える光送受信システム。
  2. 　前記光源が、複数の直接変調レーザであることを特徴とする請求項１に記載の光送受信システム。
  3. 　前記複数の直接変調レーザのそれぞれの活性層面積が異なることを特徴とする請求項２に記載の光送受信システム。
  4. 　前記直接変調レーザが横方向注入型半導体レーザであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光送受信システム。
  5. 　前記光源が外部変調方式で動作することを特徴とする請求項１に記載の光送受信システム。
  6. 　前記送信器が合波器を有し、
    　前記受信器が分波器とカプラを有し、
    　前記光ファイバが数モードファイバであることを特徴とする
    　請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光送受信システム。
  7. 　前記光ファイバがマルチコアファイバであって、
    　前記受信器の入力側に複数のシングルモード光導波路を備え、前記複数のシングルモード光導波路がカプラに接続し、前記カプラが単一のシングルモード光導波路に接続し、前記単一のシングルモード光導波路が前記フォトダイオードに接続し、
    　前記複数のシングルモード光導波路それぞれが、前記マルチコアファイバのコアそれぞれに接続することを特徴とする
    　請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光送受信システム。
  8. 　出力光を光ファイバに伝搬させて、受信器に多値信号を送信する送信器であって、
    　複数の異なるパターンのＮＲＺ光信号を出力する光源を備え、
    　前記光ファイバが複数のモードの光を伝搬することを特徴とする送信器。
  9. 　複数の異なるパターンのＮＲＺ光信号を出力する複数の光源と、前記複数のＮＲＺ信号を合波する素子とを有する送信器と、
    　シングルモードファイバと、
    　フォトダイオードとシングルモード光導波路を備え、前記ＮＲＺ光信号から生成される多値信号を受信する受信器と
    　を備える光送受信システム。
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