WO2023233546A1 - 光送信機 - Google Patents

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WO2023233546A1
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optical transmitter
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Inventor
敏洋 伊藤
悠介 那須
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50Transmitters
    • H04B10/516Details of coding or modulation

Definitions

  • the present invention relates to an optical transmitter that can operate at higher speeds while suppressing an increase in power.
  • Optical transmitters required for optical fiber communications include a direct drive method in which a semiconductor laser that outputs light is directly driven, and an external modulation method in which a continuous light output from a laser is modulated using an optical modulator.
  • Each optical transmitter includes a driver IC for driving a laser or a driver IC for driving an optical modulator.
  • the driver amplifier When trying to change such a large voltage at high speed, for example, to drive a low-impedance optical modulator with an input impedance of several tens of ⁇ , the driver amplifier must be driven with a large current as it approaches the output stage of the driver amplifier. It is necessary to vary the voltage. Since the driver amplifier uses a differential amplifier configuration that continues to flow a constant current, flowing a large current requires larger power consumption. In particular, as the speed of operation increases, this current increases, resulting in an excessively high power consumption. On the other hand, if the current is limited, it is not possible to change a large voltage at high speed, and it is not possible to follow a large-amplitude high-frequency signal input to the driver amplifier, and the output voltage amplitude is limited. As a result, as the frequency of the input signal becomes higher, the output of the driver amplifier changes out of proportion to the increase in voltage and current, resulting in a nonlinear output signal.
  • Patent Document 1 the technique described in Patent Document 1 is known as a method of compensating for a nonlinear output signal of a driver amplifier.
  • a compensation current is added from the nonlinear compensator to drive the optical modulator via the drive circuit. This compensates for non-linear extinction characteristics from the optical transmitter and allows linear modulation results to be obtained.
  • Conventional methods of compensating for nonlinear characteristics have been to compensate for static nonlinear characteristics digitally or analogously.
  • the frequency of the input signal increases, not only does the nonlinearity with respect to the amplitude of the output signal increase, but also the degree of change in the nonlinearity differs depending on the frequency. Therefore, with the conventional method, it is difficult to compensate over all frequency bands of the input signal.
  • An object of the present invention is to provide an optical transmitter that can operate at higher speeds and higher voltages while suppressing an increase in power, and can suppress nonlinearity at high frequencies.
  • one embodiment of the present invention provides an optical transmitter including a digital signal processing section, which includes: a differentiation circuit that calculates a differential value of a digital signal by the digital signal processing section;
  • the present invention is characterized by comprising a compensation circuit that calculates a compensation value according to a relative change in the absolute value of a value, and an addition circuit that adds the compensation value to the digital signal.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical transmitter according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the nonlinearity compensation method in the optical transmitter of this embodiment
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration for determining a compensation value in the optical transmitter of this embodiment
  • FIG. 4 is a diagram showing another configuration for determining a compensation value in the optical transmitter of this embodiment.
  • FIG. 1 shows the configuration of an optical transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • the optical transmitter 10 includes a digital signal processing unit (DSP) 11 that performs digital modulation such as PAM4 or QPSK on a digital input signal, and a digital/analog converter 12 that converts the digitally modulated signal into an analog signal.
  • DSP digital signal processing unit
  • a driver amplifier 13 that drives the optical modulator 14 is connected in this order.
  • the optical modulator 14 modulates the output light from the laser 15 serving as a light source, and outputs the modulated light to an optical fiber connected to the optical transmitter 10.
  • the optical transmitter 10 further includes a differentiation circuit 21 that calculates a differential value of the digitally modulated signal, and a compensation circuit 22 that calculates a compensation value from the differential value.
  • the compensation value calculated by the compensation circuit 22 is added to the digital input signal whose timing is adjusted by the delay circuit 23 in the addition circuit 24.
  • the digital signal to which the compensation value has been added is input to the digital/analog converter 12, converted to an analog signal, and output to the driver amplifier 13.
  • the differentiation circuit 31 calculates a differential value in accordance with changes in the four-value signal of the PAM4 modulation method.
  • the four-value signal level is expressed as 0-3.
  • the compensation circuit 22 calculates a compensation value according to a relative change in the absolute value of the differential value. That is, a compensation value is calculated based on a change in the signal level according to the baud rate, and is added to the digital signal to compensate for the nonlinear output signal of the driver amplifier.
  • the compensation circuit 22 may store compensation values for relative changes in the absolute values of differential values as a table, or may store calculation formulas for determining compensation values. Details will be described later.
  • the compensation value may be determined by taking into consideration the compensation amount obtained in advance through simulation or actual measurement so that the quality of the optical signal output from the optical transmitter is the desired quality.
  • the range of differential values to be compensated may be limited, or the amount of compensation may be determined according to the specifications of the driver amplifier 13 and the optical modulator 14.
  • FIG. 1 shows a case where the original signal of the PAM4 modulation method changes to 0-3-2-0-1-3-0 in signal level from time step t1 to t7 on the time axis.
  • the signal change speed is the fastest when transitioning between 0 ⁇ 3 or 3 ⁇ 0. Therefore, when the difference is 3, 0.6 is added to the signal after the transition as a compensation value for the transition from 0 to 3, or 0.6 is subtracted for the transition from 3 to 0 (-0. 6). In the case of other differences, the compensation value is not added or subtracted.
  • the compensated amount is subtracted to return to the original signal level, and it is determined whether to add or subtract the compensation value according to the difference again.
  • the differential value is calculated according to the change in the four-value signal, and the compensation value is calculated according to the relative change in the absolute value of the differential value.
  • the compensation value is determined in advance by adjusting the compensation amount through simulation or actual measurement so as to improve the quality of the output optical signal.
  • the compensation value is added or subtracted only for the transition with the largest difference, but the compensation value may be added or subtracted according to the absolute value of the differential value for other transitions as well.
  • the compensation value is determined according to the transition between adjacent time steps, but we also take into account not only adjacent transitions but also transitions between three or more time steps and even higher-order differential coefficients.
  • the compensation value may be further corrected.
  • the signal change rate is above a certain level, it may be changed discretely, such as by adding a specific coefficient.
  • equalizing processing when equalizing processing is performed in the DSP 11, it is preferable to perform the equalizing processing on the digitally modulated signal after equalization to which a compensation value has been added.
  • FIG. 3 shows an example of a configuration for determining a compensation value in the optical transmitter of this embodiment.
  • a peak detector 25 is used to detect the peak amplitude of the output of the driver amplifier 13.
  • the peak detector 25 detects the output after the digital signal to which the compensation value has been added is converted into an analog signal and amplified by the driver amplifier 13. Therefore, signals affected by nonlinearity can be detected.
  • the external data processing device 41 determines a compensation value based on the detection result by the peak detector 25 so as to compensate for the nonlinear output signal of the driver amplifier 13.
  • a table is created as a compensation value for a relative change in the absolute value of the differential value with respect to a change in the signal digitally modulated by the DSP 11, and a calculation formula for calculating the compensation value is created. create. Finally, the created table or calculation formula is stored in the compensation circuit 22 of the optical transmitter 10.
  • FIG. 4 shows another configuration for determining the compensation value in the optical transmitter of this embodiment.
  • a photoelectric conversion element and a measuring instrument 42 such as an oscilloscope are connected to the output of the optical transmitter 10.
  • the digital signal to which the compensation value has been added is converted into an optical signal with the bias point fixed at the intensity modulation, and the intensity of the optical signal output from the optical modulator 14 is measured.
  • a compensation value is determined by an external data processing device 41 so that the quality of the optical signal becomes a desired quality.
  • a compensation value for a relative change in the absolute value of the differential value with respect to a change in the signal digitally modulated by the DSP 11 is created as a table, and a calculation formula for calculating the compensation value is created. create. Finally, the created table or calculation formula is stored in the compensation circuit 22 of the optical transmitter 10.

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Abstract

高周波における非線形性を抑制する。ディジタル信号処理部を含む光送信機において、前記ディジタル信号処理部によりディジタル信号の微分値を算出する微分回路と、前記微分値の絶対値の相対的な変化に応じた補償値を算出する補償回路と、前記補償値を前記ディジタル信号に加算する加算回路とを備えた。

Description

光送信機
 本発明は、電力の増加を抑えつつ、より高速での動作が可能な光送信機に関する。
 通信技術の進歩と普及、コンテンツの大容量化、データセンタに対するニーズの増加に伴い、通信容量は驚異的なペースで増加の一途を辿っている。基幹回線では、短距離から長距離に至るまで、光ファイバ通信技術の発展が、この容量の爆発的な増加を支えている。光ファイバ通信に必要な光送信機においては、光を出力する半導体レーザを直接駆動する直接駆動方式と、光変調器を用いてレーザから出力される連続光を変調する外部変調方式とがある。光送信機は、それぞれレーザを駆動するためのドライバIC、または光変調器を駆動するためのドライバICを備えている。
 一般に、外部変調方式の方が直接駆動方式よりも高速の通信が可能であり、より高いボーレートで使用される。近年、66GBaudが実用化に入り、100Gbaud以上の変調速度が検討されている。光変調器の種類に依存するが、光変調器を駆動するためには、2Vpp以上の大きな変調電圧振幅を印加する必要がある場合が多い。PAMなどの強度直接変調方式の光変調器、またはQPSK、QAM等のコヒーレント位相強度変調方式の光変調器のいずれであっても、2~4Vpp程度の大きな電圧振幅が必要になる。
 このように大きな電圧を高速で変化させようとする場合、例えば、入力インピーダンスが数十Ωの低いインピーダンスの光変調器を駆動するには、ドライバアンプの出力段に近づくにつれて大きな電流でドライバアンプの電圧を変化させることが必要である。ドライバアンプでは、一定電流を流し続ける差動増幅器の構成を用いているため、電流を大きく流すことは、より大きな消費電力を必要とする。特に、高速動作になるほど、この電流が大きくなり、消費電力が大きくなりすぎる課題があった。一方、電流を制限すると、高速で大きな電圧を変化させることができず、ドライバアンプに入力される大振幅の高周波信号に追随できず、出力電圧振幅が制限されてしまう。結果として、入力信号が高周波になるほど、電圧、電流の増加に比例せずにドライバアンプの出力が変わり、非線形な出力信号になってしまうという課題があった。
 ドライバアンプの非線形な出力信号を補償する方法として、例えば、特許文献1に記載された技術が知られている。ディジタル/アナログ変換器によって変換されたアナログ信号出力に加えて、非線形補償部から補償用の電流を追加し、駆動回路を介して光変調器を駆動している。これにより、光送信機からの非線形な消光特性を補償して、線形な変調結果が得られるようにしている。従来の非線形特性の補償においては、静的な非線形特性をディジタル的にまたはアナログ的に補償する方法が取られてきた。しかしながら、入力信号の周波数が高くなるにつれて、出力信号の振幅に対する非線形性が大きくなるだけでなく、周波数によって非線形性の変化の度合いが異なる。従って、従来の方法では、入力信号の全ての周波数帯域にわたって補償することが困難であった。
 また、ドライバアンプ内の差動増幅器の出力段において大きな電流を流し、変調する電流量を大きくすることによって、低いインピーダンスの光変調器に対しても大きな電圧変化を高速にもたらすことができる。この方法により、周波数に依存した非線形性を減らすことができる。しかしながら、大きな電流を高速で駆動するためには、高速動作が可能なデバイスが必要であるだけでなく、大きな電圧には耐圧の高いデバイスが必要となる。従って、消費電力の増大を招くだけではなく、高速になるほど、電流を大きくすることは困難になるという課題があった。
特許第6491129号公報
 本発明の目的は、電力の増加を抑えつつ、より高速、大電圧での動作が可能であり、高周波における非線形性を抑制することができる光送信機を提供することにある。
 本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、ディジタル信号処理部を含む光送信機において、前記ディジタル信号処理部によりディジタル信号の微分値を算出する微分回路と、前記微分値の絶対値の相対的な変化に応じた補償値を算出する補償回路と、前記補償値を前記ディジタル信号に加算する加算回路とを備えたことを特徴とする。
図1は、本発明の一実施形態にかかる光送信機の構成を示す図、 図2は、本実施形態の光送信機における非線形性の補償方法を説明するための図、 図3は、本実施形態の光送信機において補償値を決定するための構成を示す図、 図4は、本実施形態の光送信機において補償値を決定するための別の構成を示す図である。
 以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
 図1に、本発明の一実施形態にかかる光送信機の構成を示す。光送信機10は、ディジタル入力信号に対してPAM4、QPSKなどのディジタル変調を行うディジタル信号処理部(DSP)11と、ディジタル変調された信号をアナログ信号に変換するディジタル/アナログ変換器12と、光変調器14を駆動するドライバアンプ13とが順に接続されている。光変調器14は、光源となるレーザ15からの出力光を変調して、光送信機10に接続された光ファイバへと出力する。さらに、光送信機10は、ディジタル変調された信号の微分値を算出する微分回路21と、微分値から補償値を算出する補償回路22とをさらに含む。補償回路22で算出された補償値は、遅延回路23でタイミングを合わせたディジタル入力信号に対して、加算回路24において加算される。補償値が加算されたディジタル信号は、ディジタル/アナログ変換器12に入力され、アナログ信号に変換されてドライバアンプ13に出力される。
 本実施形態においては、PAM4変調方式によりディジタル変調を行う場合を例に説明する。微分回路31は、PAM4変調方式の4値の信号の変化に応じて、微分値を算出する。ここでは、4値の信号レベルを0-3と表現する。補償回路22は、微分値の絶対値の相対的な変化に応じて、補償値を算出する。すなわち、ボーレートに応じた信号レベルの変化によって補償値が算出され、ディジタル信号に加算されて、ドライバアンプの非線形な出力信号を補償する。補償回路22には、微分値の絶対値の相対的な変化に対する補償値を、テーブルとして格納しておいてもよいし、補償値を決定するための計算式を格納しておいてもよい。詳細については後述する。
 また、光送信機から出力される光信号の品質が所望の品質となるように、予めシミュレーションまたは実測によって得られた補償量を加味して、補償値を決定してもよい。さらに、補償すべき微分値の範囲を限定したり、ドライバアンプ13、光変調器14の仕様に応じて補償量を決定してもよい。
 図2を参照して、本実施形態の光送信機における非線形性の補償方法を説明する。PAM4変調方式の原信号が、時間軸上のタイムステップt1からt7において、信号レベルで0-3-2-0-1-3-0に変化した場合を示している。4値の信号の間を遷移する16通りの遷移のうち、0→3または3→0の間を遷移する場合が最も信号の変化速度が速い。そこで、差分が3の場合に、遷移した後の信号に対して、補償値として0→3の遷移では0.6を加算し、または3→0の遷移では0.6を減算(-0.6を加算)する。その他の差分の場合には、補償値を加減算しない。
 なお、補償値を加算または減算した後の次の遷移においては、補償した分を差し引いて元の信号レベルに戻し、改めて差分に応じた補償値を加減算するか、しないかを決定する。このようにして、4値の信号の変化に応じて微分値を算出し、微分値の絶対値の相対的な変化に応じて補償値を算出する。
 補償値の決定は、予めシミュレーションまたは実測によって補償量を調節し、出力される光信号の品質が改善するように決定しておく。上記の例では、最も差分の大きな遷移の場合のみ補償値を加減算したが、他の遷移についても、微分値の絶対値に応じた補償値を加減算してもよい。また、4値1タイムステップとしたとき、隣接するタイムステップ間の遷移に応じて補償値を決定したが、隣接のみならず3以上のタイムステップ間の遷移を考慮して高次微分係数まで勘案し、補償値にさらに補正を加えてもよい。さらに、一定以上の信号変化率の場合には、特定の係数を加えるなど離散的に変化させてもよい。
 また、DSP11において、イコライジング処理を行う場合は、補償値を加算したイコライジング後のディジタル変調された信号に対して、イコライジング処理を行うのがよい。
 図3に、本実施形態の光送信機において補償値を決定するための構成の一例を示す。ドライバアンプ13の出力のピーク振幅を検出するピーク検出器25を用いる。ピーク検出器25は、補償値が加算されたディジタル信号がアナログ信号に変換され、ドライバアンプ13により増幅された後の出力を検出する。従って、非線形性の影響を受けた信号を検出することができる。外部のデータ処理装置41は、ピーク検出器25による検出結果に基づいて、ドライバアンプ13の非線形な出力信号を補償するように、補償値を決定する。
 次に、データ処理装置41において、DSP11によりディジタル変調された信号の変化に対する微分値の絶対値の相対的な変化に対する補償値として、テーブルを作成したり、補償値を算出するための計算式を作成する。最後に、作成したテーブルまたは計算式を、光送信機10の補償回路22に格納する。
 図4に、本実施形態の光送信機において補償値を決定するための別の構成を示す。光送信機10の出力に、光電変換素子とオシロスコープなどの計測器42を接続する。強度変調となるバイアス点に固定した状態で、補償値が加算されたディジタル信号を光信号に変換し、光変調器14から出力された光信号の強度を測定する。外部のデータ処理装置41によって、光信号の品質が所望の品質となるように、補償値を決定する。
 次に、データ処理装置41において、DSP11によりディジタル変調された信号の変化に対する微分値の絶対値の相対的な変化に対する補償値を、テーブルとして作成したり、補償値を算出するための計算式を作成する。最後に、作成したテーブルまたは計算式を、光送信機10の補償回路22に格納する。
 このように、より高速、大電圧で動作する光送信機において、ディジタル変調された信号に補償値を加減算することにより、高周波における非線形性を抑制することができる。

Claims (5)

  1.  ディジタル信号処理部を含む光送信機において、
     前記ディジタル信号処理部によりディジタル信号の微分値を算出する微分回路と、
     前記微分値の絶対値の相対的な変化に応じた補償値を算出する補償回路と、
     前記補償値を前記ディジタル信号に加算する加算回路と
     を備えたことを特徴とする光送信機。
  2.  前記ディジタル信号をアナログ信号に変換するディジタル/アナログ変換器と、
     前記ディジタル/アナログ変換器の出力に接続され、光変調器を駆動するドライバアンプと、
     前記ドライバアンプの出力のピーク振幅を検出するピーク検出器とをさらに備え、
     前記補償回路は、前記ピーク検出器による検出結果に基づいて、前記ドライバアンプの非線形な出力信号を補償する補償値を算出するためのテーブルまたは算出式を格納していることを特徴とする請求項1に記載の光送信機。
  3.  前記ディジタル信号をアナログ信号に変換するディジタル/アナログ変換器と、
     前記ディジタル/アナログ変換器の出力に接続され、光変調器を駆動するドライバアンプとをさらに備え、
     前記補償回路は、前記光変調器から出力された光信号の品質が所望の品質となる補償値を算出するためのテーブルまたは計算式を格納していることを特徴とする請求項1に記載の光送信機。
  4.  前記ディジタル信号処理部は、前記補償値が加算された前記ディジタル信号に対して、さらにイコライジング処理を行うことを特徴とする請求項1、2または3に記載の光送信機。
  5.  前記補償回路は、前記ディジタル信号の3以上のタイムステップ間の遷移を考慮して、前記補償値を補正することを特徴とする請求項1、2または3に記載の光送信機。
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