WO2023233550A1 - 光送受信機 - Google Patents
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Classifications
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- 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
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Definitions
- the present invention relates to an optical transceiver in which an optical transmitter and an optical receiver are integrated together with a digital signal processing section.
- Optical communication systems are widely used not only for long-distance communications between cities, but also for communications between and within data centers, which have been increasing rapidly in recent years.
- the communication band of each channel in an optical communication system continues to increase, and the transmission capacity per channel and wavelength continues to increase.
- optical communication systems having a communication capacity of 100 Gb/s to 400 Gb/s or more per wavelength have begun to be introduced.
- optical transceivers that relay high-speed, large-capacity optical lines not only to increase their transmission capacity but also to be smaller and lower in cost.
- optical transceivers become smaller and lower in cost, the internal structures of optical transceivers are becoming simpler, the number of low-cost parts is increasing, and integration and integration are progressing.
- an optical modulator that serves as the front end of an optical transmitter and an element that performs electro-optic conversion such as a laser diode have been realized on a single chip using silicon photonics technology.
- optical modules have been developed that integrate the front ends of optical receivers such as photodiodes and preamplifiers, or integrate digital signal processing sections to function as optical transceivers.
- the driver amplifier required to drive the optical modulator outputs a large electrical amplitude.
- the optical receiver includes a high-gain preamplifier in order to receive minute electrical signals from the photodiode.
- a large electrical signal from a driver amplifier propagates inside the optical transceiver as an electromagnetic wave, and is received by an optical receiver. Therefore, the electromagnetic waves essentially become noise for the optical receiver, deteriorating the reception characteristics. Leakage signals whose characteristics are degraded in this way are called transmission/reception crosstalk.
- the most reliable way to reduce transmission and reception crosstalk in an optical transceiver is to isolate the optical transmitter and optical receiver.
- the distance between the optical transmitter and the optical receiver becomes shorter, making it difficult to isolate them.
- it can be improved by inserting a metal wall or forming a metal pattern between the optical transmitter and the optical receiver to isolate them electromagnetically, but the optical transmitter and receiver can be integrated on one chip. In such cases, it is not possible to take up space for such isolation (see, for example, Non-Patent Document 1).
- the frequency of the drive signal for the driver amplifier also increases, making it more difficult to isolate them electromagnetically.
- An object of the present invention is to provide an integrated optical transceiver that suppresses transmission and reception crosstalk.
- one embodiment of the present invention provides an optical transceiver in which an optical transmitting section and an optical receiving section are integrated together with a digital signal processing section.
- the digital signal processing unit of the optical receiver includes a storage unit that stores transmission and reception crosstalk components measured in advance in the optical receiver according to the digital input signal input to the optical receiver, and the digital signal processing unit of the optical receiver receives the digital signal of the optical transmitter.
- the present invention is characterized in that a transmission/reception crosstalk component corresponding to the digital input signal input to the processing section is acquired from the storage section and subtracted from the digital signal converted from the received optical signal.
- FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical transceiver according to an embodiment of the present invention
- FIG. 2 is a diagram showing a procedure for compensating for transmission and reception crosstalk in the optical transceiver of this embodiment.
- Transmission and reception crosstalk within an optical transceiver is determined by the transmitted electrical signal at the optical transmitter. Therefore, in the optical transceiver of this embodiment, by subtracting the transmission/reception crosstalk component corresponding to the transmitted electrical signal from the received signal, the transmission/reception crosstalk is canceled out and the deterioration of the reception characteristics of the optical receiver is suppressed.
- FIG. 1 shows the configuration of an optical transceiver according to an embodiment of the present invention.
- the optical transmitter includes a digital signal processor (DSP-Tx) 11 that performs digital modulation such as PAM4 or QPSK on a digital input signal, and a digital/analog converter (DAC) that converts the digitally modulated signal into an analog signal.
- DSP-Tx digital signal processor
- DAC digital/analog converter
- 12 and a driver amplifier 13 that drives the optical modulator are connected in this order.
- Output light from a laser (LD) 14 serving as a light source is modulated by an optical modulator in the transmitter/receiver chip 31, and the modulated optical signal is output to an optical fiber connected to the optical transmitter/receiver.
- LD laser
- the signal light input from the optical fiber is received by a photodiode in the transmitting/receiving chip 31 in the optical receiving section, converted into an electrical signal, and amplified by the preamplifier 23.
- the coherent optical reception method is used instead of the intensity modulation method
- the input signal light is mixed with the local light and polarized in a polarization multiplexed optical hybrid (DPOH) circuit, and then polarized.
- the light is received by a diode.
- the optical receiver further includes an analog/digital converter (ADC) 22 that converts the output of the preamplifier 23 into a digital signal, and a digital signal processor (DSP-Rx) 21 that demodulates the converted digital signal.
- ADC analog/digital converter
- DSP-Rx digital signal processor
- the optical transceiver 10 supplies a common clock signal to a calculation/storage unit 33 for suppressing transmission/reception crosstalk, which will be described later, and to the DSP-Tx 11, DAC 12, DSP-Rx 21, ADC 22, and calculation/storage unit 33.
- a clock circuit (clk) 32 is included.
- the DSP-Tx 11, the DSP-Rx 21, and the arithmetic/storage unit 33 can be configured with a processor equipped with memory or a PLA (Programmable Logic Array).
- the electrical signal from the driver amplifier 13 is mainly propagated as an electromagnetic wave inside the optical transceiver 10 and is received by the analog circuit portion of the optical receiver from the transceiver chip 31 to the ADC 22.
- the propagation of electromagnetic waves within the transmitting/receiving chip 31 or in the vicinity of the chip where the part where the transmitted electrical signal output from the driver amplifier 13 propagates and the part where the received electrical signal inputted to the preamplifier 23 propagates is the closest. , is often the main route for transmission and reception crosstalk.
- the transmission and reception crosstalk components for a predetermined digital input signal are measured and recorded.
- This time is equivalent to one time step if the digital input signal is 100 Gbaud.
- the signals within this optical modulator propagate sequentially, resulting in transmission and reception crosstalk.
- the main transmission/reception crosstalk is a component in which electromagnetic waves go directly from the optical transmitter to the optical receiver, this time step of 10 ps should be considered simultaneously as the transmission/reception crosstalk. Since the reflected component of the electromagnetic wave on the path from the optical transmitter to the optical receiver is attenuated, it is sufficient to consider signals within a certain number of times the main transmission/reception crosstalk.
- the transmission and reception crosstalk component corresponding to the transmission electrical signal can be subtracted from the reception signal by considering the transmission electrical signal corresponding to the time step that affects the chip. Therefore, if only one time step is affected, for example in the case of the PAM4 modulation method, it is sufficient to measure and record the transmission and reception crosstalk components for four types of signals per one time step. In this way, the transmission and reception crosstalk components may be measured in advance for the transmission electrical signal pattern for a predetermined time step based on the propagation time of electromagnetic waves within the semiconductor chip and the digital modulation method of the transmission signal.
- a 200 Gb/s digital input signal 41 is input in a certain pattern to the optical transceiver 10, digitally modulated using the PAM4 modulation method, and a 100 Gbaud four-value signal is output from the DSP-Tx 11.
- the optical input is set to 0, and the digital signal output from the ADC 22 is recorded in the recording section 42 as a transmitting/receiving crosstalk component.
- timing information can be recorded as a crosstalk component with respect to the timing of the output from the DSP-Tx11.
- the calculation unit 43 calculates transmission and reception crosstalk components for each four-value signal of the PAM4 modulation method. For example, thermal noise and transmitting/receiving crosstalk components are likely to have similar signal strengths, so by repeatedly inputting a certain pattern and averaging it, the influence of thermal noise is alleviated and the transmitting/receiving crosstalk component is calculated. It's okay. Furthermore, when equalizing processing is performed in addition to digital modulation in the DSP-Tx 11, transmitting and receiving crosstalk components are calculated for each equalizing setting.
- the transmission and reception crosstalk components are measured or converted using a theoretical formula, and It may be stored as a correction coefficient for the transmission/reception crosstalk component measured under the following conditions.
- the frequency dependence on the input signal can be calculated by fitting only the amplitude and phase of the specific frequency. The accuracy of crosstalk calculation becomes higher.
- the calculated transmission/reception crosstalk component and the correction coefficient including timing information with the transmission electrical signal are stored in the calculation/storage unit 33 in the optical transceiver 10.
- the corresponding transmission/reception crosstalk The components are extracted from the calculation and storage 33.
- the correction coefficients are sent to the DSP-Rx 21 along with the corresponding transmit and receive crosstalk components.
- the DSP-Rx 21 subtracts the acquired transmission/reception crosstalk component from the digital signal output from the ADC 22 based on the correction coefficient including the timing information acquired from the calculation/memory 33, or multiplies it by the correction coefficient as necessary. Subtract the transmitted and received crosstalk components.
- a coherent optical transceiver such as DP-QPSK includes a four-channel optical transceiver.
- the transmission and reception crosstalk components are measured for each optical reception channel affected by the optical transmission section.
- the optical transmitter it is also possible to calculate the transmission/reception crosstalk components and correction coefficients for a predetermined digital input signal in order from the optical transmission channel closest to the optical reception channel to be measured.
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Abstract
送受クロストークを抑制した一体化された光送受信機を提供する。光送信部および光受信部がディジタル信号処理部とともに一体化された光送受信機において、前記光送信部のディジタル信号処理部に入力されるディジタル入力信号に対して、前記光受信部において予め測定された送受クロストーク成分を記憶する記憶部を備え、前記光受信部のディジタル信号処理部は、前記光送信部のディジタル信号処理部に入力されたディジタル入力信号に対応する送受クロストーク成分を、前記記憶部から取得して、受信した光信号から変換されたディジタル信号から減算する。
Description
本発明は、光送信機および光受信機がディジタル信号処理部とともに一体化された光送受信機に関する。
インターネットとそれを利用した多数のアプリケーションの爆発的な発展と普及に伴い、高速広帯域の光通信システムが世界中に張り巡らされている。光通信システムは、長距離通信を担う都市間通信ばかりではなく、近年、その増加が目覚ましいデータセンタ間の通信、データセンタ内の通信にも広く使われている。
光通信システムにおける個々のチャネルの通信帯域が増加の一途を辿り、１チャネル当たり、１波長当たりの伝送容量が増加を続けている。現在、１波長当たり１００Ｇｂ／ｓ～４００Ｇｂ／ｓ以上の通信容量を有する光通信システムの導入が始まっている。それに伴って、高速大容量の光回線の中継を担う光送受信機も伝送容量の増大ばかりでなく、小型化、低コスト化への要求が増している。
光送受信機の小型化、低コスト化が進むにつれ、光送受信機内部の構造は、より単純化され、低コストの部品が増えるとともに、集積化、一体化が進んでいる。最近では、光送信機のフロントエンドを担う光変調器と、レーザダイオードなどの電気光学変換を担う素子とをシリコンフォトニクス技術を用いて１チップで実現している。さらに、フォトダイオード、前置増幅器などの光受信機のフロントエンドを集積化したり、ディジタル信号処理部を一体化して光送受信機として両者の機能を担う光モジュールも開発されている。
一体化された光送受信機において、光送信部では、光変調器を駆動するのに必要なドライバアンプが大きな電気振幅を出力する。一方、光受信部では、フォトダイオードからの微小な電気信号を受信するために高利得の前置増幅器を有している。集積化された光送受信機では、ドライバアンプからの大きな電気信号が、光送受信機内部を電磁波として伝搬し、光受信部で受信される。このため、電磁波は、光受信部にとっては実質的に雑音となり、受信特性を劣化させる。このように特性を劣化される漏れ信号を、送受クロストークと呼ぶ。
光送受信機の送受クロストークを低減するには、光送信部と光受信部の間を隔離するのが最も確実な方法である。しかしながら、光送受信機の小型化が進むにつれて、光送信部と光受信部との距離が近くなり、その間を隔離することが困難になっている。例えば、光送信部と光受信部の間に、金属の壁を挿入したり、金属パターンを形成して、電磁的に隔離することで改善することができるが、光送受信機を１チップに集積化している場合、このような隔離のためのスペースをとることができない（例えば、非特許文献１参照）。また、高速化に伴って、ドライバアンプの駆動信号の周波数も高くなり、電磁的に隔離することがより難しくなっている。
那須悠介、山中祥吾、「シリコンフォトニクス技術による光電融合型光送受信モジュールの開発」、NTT技術ジャーナル、2020.8、pp.10-14
本発明の目的は、送受クロストークを抑制した一体化された光送受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、光送信部および光受信部がディジタル信号処理部とともに一体化された光送受信機において、前記光送信部のディジタル信号処理部に入力されるディジタル入力信号に応じて、前記光受信部において予め測定された送受クロストーク成分を記憶する記憶部を備え、前記光受信部のディジタル信号処理部は、前記光送信部のディジタル信号処理部に入力されたディジタル入力信号に対応する送受クロストーク成分を、前記記憶部から取得して、受信した光信号から変換されたディジタル信号から減算することを特徴とする。
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。光送受信機内の送受クロストークは、光送信部における送信電気信号によって決まる。そこで、本実施形態の光送受信機では、送信電気信号に応じた送受クロストーク成分を受信信号から差し引くことにより、送受クロストークを相殺して、光受信部の受信特性の劣化を抑制する。
図１に、本発明の一実施形態にかかる光送受信機の構成を示す。光送信部は、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－Ｔｘ）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（ＤＡＣ）１２と、光変調器を駆動するドライバアンプ１３とが順に接続されている。光源となるレーザ（ＬＤ）１４からの出力光は、送受信チップ３１内の光変調器で変調され、変調された光信号が光送受信機に接続された光ファイバへと出力される。
一方、光ファイバから入力された信号光は、光受信部において、送受信チップ３１内のフォトダイオードで受光され、電気信号に変換されて前置増幅器２３において増幅される。なお、このとき、強度変調方式ではなく、コヒーレント光受信方式の場合、入力された信号光は、偏波多重光ハイブリッド（ＤＰＯＨ）回路にて、局発光と混合され偏波分離されてから、フォトダイオードにおいて受光される。光受信部は、さらに前置増幅器２３の出力を、ディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）２２と、変換されたディジタル信号を復調するディジタル信号処理部（ＤＳＰ－Ｒｘ）２１とを備えている。
さらに、光送受信機１０は、後述する送受クロストークを抑制するための演算・記憶部３３と、ＤＳＰ－Ｔｘ１１、ＤＡＣ１２、ＤＳＰ－Ｒｘ２１、ＡＤＣ２２および演算・記憶部３３に共通のクロック信号を供給するクロック回路（ｃｌｋ）３２とを含む。ＤＳＰ－Ｔｘ１１、ＤＳＰ－Ｒｘ２１、演算・記憶部３３は、メモリを備えたプロセッサとしたり、ＰＬＡ（Programmable Logic Array）で構成することができる。
送受クロストークの発生経路としては、主として、ドライバアンプ１３からの電気信号が、光送受信機１０内部を電磁波として伝搬し、送受信チップ３１からＡＤＣ２２に至る光受信部のアナログ回路部分で受信される。しかし、ドライバアンプ１３から出力される送信電気信号が伝搬する部分と、前置増幅器２３に入力される受信電気信号が伝搬する部分が最も近接する送受信チップ３１内、またはチップ近傍における電磁波の伝搬が、送受クロストークの主要経路となる場合が多い。
図２を参照して、本実施形態の光送受信機における送受クロストークの補償手順を説明する。最初に、光送受信機１０の実運用の前に、所定のディジタル入力信号に対する送受クロストーク成分を測定し、記録しておく。光送信部の発する送受クロストーク成分が光受信部に影響を与える範囲は、チップサイズによって制限を受ける。例えば、ドライバアンプ１３から出力される送信電気信号が伝搬する光変調器の長さが１ｍｍであって、光受信部までの距離が一定である場合、光変調器内の電磁波の伝搬速度が１Ｅ８ｍ／ｓとすると、光変調器内の信号の伝搬時間は、１Ｅ－３／１Ｅ８＝１０ｐｓとなる。この時間は、ディジタル入力信号が１００Ｇｂａｕｄであれば、１タイムステップ分の時間である。この光変調器内の信号が、順次伝搬して送受クロストークとなる。光送信部から光受信部に直接電磁波が向かう成分が主要な送受クロストークの場合、送受クロストークとして同時に考慮すべきは、この１０ｐｓのタイムステップ分で良いことになる。光送信部から光受信部への経路における電磁波の反射成分は減衰するため、主要な送受クロストークに一定数倍の範囲の信号を考慮すれば良い。
すなわち、チップ内で影響を与えるタイムステップ分だけの送信電気信号を考慮して、送信電気信号に応じた送受クロストーク成分を受信信号から差し引けばよい。従って、１タイムステップしか影響しない場合は、例えばＰＡＭ４変調方式であれば、１タイムステップ当たり４種類の信号について送受クロストーク成分を測定し、記録しておけばよい。このように、半導体チップ内の電磁波の伝搬時間と、送信信号のディジタル変調方式により、所定のタイムステップ分の送信電気信号パターンについて、予め送受クロストーク成分を測定しておけばよい。
実施例１では、光送受信機１０に２００Ｇｂ／ｓのディジタル入力信号４１を一定のパターンで入力し、ＰＡＭ４変調方式によりディジタル変調して、１００Ｇｂａｕｄ４値の信号を、ＤＳＰ－Ｔｘ１１から出力する。送受信チップ３１では光入力を０として、ＡＤＣ２２からのディジタル信号出力を、送受クロストーク成分として記録部４２に記録する。このとき、ｃｌｋ３２からの共通のクロック信号を使用しているため、ＤＳＰ－Ｔｘ１１からの出力のタイミングに対し、タイミング情報をクロストーク成分に含めて記録しておくことができる。
算出部４３においては、ＰＡＭ４変調方式の４値の信号ごとの送受クロストーク成分を算出する。例えば、熱雑音と送受クロストーク成分とは、信号強度が近いことが考えられるので、一定のパターンを繰り返し入力し、平均化することにより熱雑音の影響を緩和して送受クロストーク成分を算出してもよい。また、ＤＳＰ－Ｔｘ１１において、ディジタル変調に加えて、イコライジング処理を行う場合は、イコライズ設定ごとに送受クロストーク成分を算出しておく。さらに、ドライバアンプ１３の利得、光変調器に印加する電気信号の振幅、ドライバアンプ１３、前置増幅器２３の温度などに応じて、送受クロストーク成分を測定または理論式を用いて換算し、所定の条件で測定した送受クロストーク成分に対する補正係数として記憶しておいてもよい。
また、送受クロストーク成分の測定において、特定の周波数範囲の送受クロストーク成分が特に大きい場合、入力信号に対する周波数依存性は、特定の周波数の振幅と位相のみをフィッティングにより算出すればよいので、送受クロストークの算出精度はより精度が高くなる。算出された送受クロストーク成分、送信電気信号とのタイミング情報も含んだ補正係数は、光送受信機１０内の演算・記憶部３３に記憶させておく。
次に、光送受信機１０の実運用に際しては、ＤＳＰ－Ｔｘ１１に入力されるディジタル入力信号のパターン、またはＤＳＰ－Ｔｘ１１から出力される変調されたディジタル信号のパターンに応じて、対応する送受クロストーク成分が演算・記憶３３から抽出される。対応する送受クロストーク成分とともに補正係数がＤＳＰ－Ｒｘ２１に送られる。ＤＳＰ－Ｒｘ２１は、演算・記憶３３から取得したタイミング情報を含む補正係数に基づいて、ＡＤＣ２２から出力されたディジタル信号から、取得した送受クロストーク成分を減算し、または必要に応じて補正係数を乗じた送受クロストーク成分を減算する。
光送信部と光受信部とが一対の、すなわち１チャネルの光送受信機について述べたが、複数チャネルが一体化された光送受信機においても、送受クロストークの補償を行うことができる。例えば、ＤＰ－ＱＰＳＫなどのコヒーレント光送受信機では、４チャネルの光送受信機が含まれる。この場合、光送信部から影響を受ける光受信チャネルの各々について送受クロストーク成分を測定しておく。光送信部についても、測定対象の光受信チャネルに最も近い光送信チャネルから順に、所定のディジタル入力信号に対する送受クロストーク成分、補正係数を算出しておくこともできる。実運用に際しては、最も送受クロストークの影響が大きいと思われる光送信チャネルからの送受クロストーク成分のみを補償してもよいし、全ての光送信チャネルからの送受クロストーク成分を合算して補償してもよい。また、波長多重の送受信機が一体化された光送受信機においても、波長ごとの１チャネルの光送受信機について、上記と同様の補償手順によって送受クロストークを抑制することができる。
Claims (5)
- 光送信部および光受信部がディジタル信号処理部とともに一体化された光送受信機において、
前記光送信部のディジタル信号処理部に入力されるディジタル入力信号に応じて、前記光受信部において予め測定された送受クロストーク成分を記憶する記憶部を備え、
前記光受信部のディジタル信号処理部は、前記光送信部のディジタル信号処理部に入力されたディジタル入力信号に対応する送受クロストーク成分を、前記記憶部から取得して、受信した光信号から変換されたディジタル信号から減算することを特徴とする光送受信機。 - 前記光送信部のディジタル信号処理部、前記光受信部のディジタル信号処理部および前記記憶部には、共通のクロック信号が供給され、前記記憶部は、タイミングを含んだ前記送受クロストーク成分を記憶することを特徴とする請求項１に記載の光送受信機。
- 前記記憶部は、前記ディジタル入力信号を複数回入力して、平均化された送受クロストーク成分を記憶することを特徴とする請求項１または２に記載の光送受信機。
- 前記記憶部は、所定の条件で測定した送受クロストーク成分に対する補正係数をさらに記憶することを特徴とする請求項１または２に記載の光送受信機。
- 前記記憶部は、特定の周波数範囲の送受クロストーク成分のみを記憶することを特徴とする請求項１または２に記載の光送受信機。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 22944837 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |