JP6998691B2 - 光送信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光送信モジュールに関する。

近年光通信システムにおける情報伝送の大容量化及び伝送速度の高速化が求められるため、送信信号の光強度を４段階に分けることで２ｂｉｔ/ｂａｕｄを実現する４値パルス振幅変調（４ Ｌｅｖｅｌ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＡＭ４）などの多値変調技術が盛んに研究されている。

ＰＡＭ４の光変調信号の生成を実現するため、電界吸収型光変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＡ変調器）又はレーザーダイオードとＥＡ変調器がモノリシックに集積されたＥＡ変調器集積型レーザダイオード（ＥＡ変調器集積型ＬＤ）が用いられている。ＥＡ変調器は、半導体からなる量子井戸構造をｐ型及びｎ型の導体で挟んだ構造で構成される。ＥＡ変調器は、量子井戸に印加される電圧に応じて光の吸収端波長が長波長側へシフトする現象を用いて入射光強度の吸収量を変化させることによって、出力光強度を制御できる。ＥＡ変調器を有する光信号生成装置はたとえば下記特許文献１などで提案されている。

特許文献１では、ＥＡ変調器を有する光信号生成装置が開示されている。当該光信号生成装置は、光信号の経路に直列に接続された複数の変調部を備え、当該変調部は光源からの入力光信号の強度を変調信号に基づき変調して多値符号化された被変調光信号を生成し、前記各変調部は、前記変調信号に応じて光吸収のオン状態とオフ状態とを切り替えられる電界吸収型光変調器を有し、前記各変調部における前記オフ状態に対する前記オン状態の消光比に関し、前記複数の変調部のうちの少なくとも２つは互いに異なる値を有し、前記互いに異なる消光比を有する変調部は、前記消光比が小さいものほど前記光源寄りにある。

特許文献１に開示されている複数の変調部は、複数の二値電気信号を多値電気信号に変換することで変調信号を生成する。しかし前記の複数の二値電気信号から多値電気信号への変換は、変換用の専用の集積回路を必要とし、光送信モジュールを大型化させ、かつ、前記光送信モジュール消費電力を増大させてきた。

特開２０１７－００３７２９号公報

従って本発明は、複数の二値電気入力信号を多値電気信号に変換することなくＰＡＭ４の光変調信号の生成を実現する光送信モジュールを供することを目的とする。

（１）本願の光送信モジュールは、連続光を出射する光源と、前記連続光の経路に対して直列に配置されて、印加される変調信号に応じて、光吸収の相対的に大きな状態と光吸収の相対的に小さな状態とを切り換えることで前記連続光を変調する複数の光変調器と、複数の二値電気入力信号を受け取り、前記複数の二値電気入力信号を論理演算することで新たな複数の二値電気信号を生成する論理演算回路、を有する。前記新たな二値電気信号の各々は、対応する前記複数の光変調器の各々へ前記変調信号として印加される。

（２）上記（１）に記載の光送信モジュールにおいて、前記新たな二値電気信号の各々は、前記論理演算回路によって対応する前記複数の光変調器の各々へ前記変調信号として印加される。

（３）さらに前記複数の光変調器を駆動する駆動装置を有する上記（１）に記載の光送信モジュールにおいて、前記新たな二値電気信号の各々は、前記駆動装置によって対応する前記複数の光変調器の各々へ前記変調信号として印加される。

（４）上記（１）乃至（３）のうちいずれかに記載の光送信モジュールにおいて、前記論理演算回路は、グレイコードに基づいて前記複数の二値電気入力信号を論理演算する。

（５）上記（１）乃至（３）のうちいずれかに記載の光送信モジュールにおいて、前記論理演算回路は、ＮＲＺに基づいて前記複数の二値電気入力信号を論理演算する。

（６）上記（１）乃至（５）のうちいずれかに記載の光送信モジュールにおいて、前記光源と前記複数の光変調器は一の素子上に集積される。

本願の実施形態による光送信モジュールの例を表す。 ＰＡＭ４のレベル（０，１，２，３）、光強度（相対値）、及びＮＲＺに対応した２ビット信号の対応例を表す。 ＰＡＭ４のレベル（０，１，２，３）、光強度（相対値）、及びＧｒａｙ Ｃｏｄｅに対応した２ビット信号対応の例を表す。 光変調器への入力に対する二値電気信号を生成する論理回路の例を表す。 本願の実施形態による他の光送信モジュールの例を表す。

［第１実施形態］
図１は、ＰＡＭ４の光信号を出力する本願の実施形態による光送信モジュールの例を表す。当該光送信モジュール２００は、変調されていない連続光を出射する光源６０と、前記連続光の経路に対して直列に配置されて、印加される電気の変調信号に応じて、光吸収量の相対的に大きな状態と光吸収量の相対的に小さな状態とを切り換えることで前記連続光を変調する第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３と、複数の二値電気入力信号を受け取り、前記複数の二値電気入力信号を論理演算することで新たな複数の二値電気信号を生成する論理演算回路１００を有する。前記新たな二値電気信号の各々は、対応する第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３の各々へ前記変調信号として印加される。図１では、３つの光変調器が表されているが、４つ以上の光変調器が用いられてもよい。

第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３と、光源６０と、ビアホール７０と、チップコンデンサ８０がＧＮＤパターン９０上に設けられている。ビアホール７０は、接地されている裏面からＧＮＤをとるために設けられている。よってＧＮＤパターン９０ではＧＮＤがとられている。

光源６０は、分布帰還型レーザ装置（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＤＦＢ－ＬＤ）であることが好ましいがこれに限定されない。また光源６０はＣＷ光源である。光源６０は光源駆動装置３００に操作されてよい。チップコンデンサ８０は、光源６０と光源駆動装置３００とを接続する電流路とＧＮＤパターン９０との間に設けられてよい。チップコンデンサ８０は、各光変調器に印加される高周波信号成分の光源６０への流入、及び、静電放電による光源６０の破壊を防止する。

第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び、第３光変調器５３はＥＡ変調器である。ＥＡ変調器は、電界吸収効果と呼ばれる変調信号（電界）の印加による量子井戸構造の光の吸収量の変化を利用してＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り換えることができる。より詳細には、量子井戸構造に電圧が印加されることで、量子井戸構造のポテンシャルが変化し、その結果伝導帯の量子準位は相対的に低下し、価電子帯の量子準位は相対的に上昇する。つまり印加電圧によって、実効的なエネルギーギャップが減少することで、光の吸収量が変化する。印加される電圧が大きくなれば、吸収される光の量も増大する。このような量子井戸構造に電界を印加したときの吸収特性の変化は量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ）として知られている。

第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３は、光源６０が放出する連続光の経路に対して直列に配置される。第１光変調器５１は光源６０に最も近くに設けられ、第２光変調器５２は光源６０とは反対側の第１光変調器５１の隣に設けられ、かつ、第３光変調器５３は出力端の最も近くに設けられる。光源６０と第１及び第２光変調器からの出力光の発散を抑制するため、第１レンズ４１が光源６０と第１光変調器５１との間には設けられ、第２レンズ４２が第１光変調器５１と第２光変調器５２との間に設けられ、かつ、第３レンズ４３が第２光変調器５２と第３光変調器５３との間に設けられてよい。なお、図示はしていないが第３光変調器５３の出力光は、レンズなどを介して光送信モジュール２００の外部と繋がる光導波路（例えば光ファイバやレセクタプル）と光学的に接続される。

論理演算回路１００は、入力として上位ビット１と下位ビット２を有する。上位ビット１と下位ビット２はいずれも二値の電気信号である。論理演算回路１００は、高周波線路１１，１２，１３とＡｕワイヤ２１，２２，２３を介して第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３にそれぞれ接続される。第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３はＡｕワイヤ２１，２２，２３を介して、終端抵抗としての薄膜抵抗３１，３２，３３にそれぞれ接続される。

論理演算回路１００は、上位ビット１と下位ビット２からの二値電気信号を論理演算することで新たな二値の電気信号を生成する。前記新たな二値の電気信号は、変調信号として第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３に印加される。変調信号が印加されることで第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３は、それぞれの光の吸収量を変化させる。

光送信モジュール２００は、第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３を駆動する駆動装置（図示されていない）をさらに有してよい。前記駆動装置は、論理演算回路１００によって生成される二値電気信号の変調振幅を増幅又は所定の電圧値に変更して、第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３へ印加してよい。ただし個々の光変調に要求される消光比は小さいので、各光変調器へ印加される電圧振幅も小さくなるため、本願の光送信モジュール２００は、駆動装置なしでも動作し得る。

第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３は、印加される新たな二値の電気信号に応じて光の吸収量を変化させることで、光源６０から放出される連続光を変調させる。多値光強度変調では、各光強度の隣接するレベル間での強度差は一定であることが好ましいため、第１光変調器５１、第２光変調器５２、及び第３光変調器５３の消光比は、各光出力の隣接するレベル間での強度差が一定となるように設定される。

表１は、ＰＡＭ４における光強度（相対値）と消光比との関係を表している。ＰＡＭ４における光強度（相対値）をたとえばそれぞれ１０，７，４，１に設定するためには、最大光強度に対する消光比（単位：ｄＢ）と１つ上のレベルに対する消光比（単位：ｄＢ）は表１で示されているように設定する必要がある。なお、本明細書では特記なき場合はＰＡＭ４と表現した場合は、光の４値の強度変調信号を示す。

表２は、ＰＡＭ４のレベルと各ＥＡ変調器のＯＮ／ＯＦＦ状態との関係を示している。表２に示されているように、ＰＡＭ４レベルが０のとき（最も消光されている状態）にはすべての光変調器の状態はＯＮ状態（光を吸収している状態）となり、ＰＡＭ４レベルが１のときには光源側に位置する第１光変調器の状態と第２光変調器５２の状態はＯＮ状態となる一方で出力端側に位置する第３光変調器の状態はＯＦＦ状態（光を透過している状態）となり、ＰＡＭ４レベルが２のときには第１光変調器の状態はＯＮ状態となる一方で第２光変調器５２の状態と第３光変調器の状態はＯＦＦ状態となり、かつ、ＰＡＭ４レベルが３のとき（最も消光されていない状態）にはすべての光変調器の状態はＯＦＦ状態となる。

ＰＡＭ４レベルが０のときにはすべての光変調器の状態はＯＮ状態となるため、光源６０から放出される連続光（の強度）はすべての光変調器によって減衰される。ＰＡＭ４レベルが１のときには第１光変調器の状態と第２光変調器５２の状態のみがＯＮ状態となるため、光源６０から放出される連続光は第１光変調器と第２光変調器によってのみ減衰される。ＰＡＭ４レベルが２のときには第１光変調器の状態のみがＯＮ状態となるため、光源６０から放出される連続光は第１光変調器によってのみ減衰される。ＰＡＭ４レベルが３のときにはすべての光変調器の状態はＯＦＦ状態となる。そのため光源６０から放出される連続光は減衰されない。ただし厳密には、光学系における結合損失や各ＥＡ変調器を透過する際の微量な光吸収により、光源６０からの出力直後の光強度と第３光変調器５３の出力光強度は異なる。各光変調器における消光量は、これらの電圧印加による消光量以外の消光成分も考慮して、最終的なＰＡＭ４信号の各レベル間の強度比が同一値になる様に設定されている。このように複数の光変調器を組み合わせることで、ＰＡＭ４のような複数の光強度レベルを含む多値変調信号を生成することができる。つまりＰＡＭ４の光変調信号を生成するためには、光送信モジュール２００に入力される二値電気信号（上位ビット、下位ビット）に応じて、どの変調器を駆動させるかが重要となる。

図２は、ＰＡＭ４のレベル（０，１，２，３）、光強度（相対値）、及び２ビット信号の対応関係を表す。図２に示された２ビット信号はＮＲＺ（ＮｏｎＲｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）方式に基づいて論理演算される。図２に示されているように、２ビット信号は、ＰＡＭ４レベル（０，１，２，３）に相当し、ＰＡＭ４レベルは光信号ではその光強度（相対値）の１，４，７，１０に対応する。

表３は、２ビット信号の上位ビットと下位ビット、ＰＡＭ４のレベル（０，１，２，３）、第１光変調器５１（ＥＡ１）の状態、第２光変調器５２（ＥＡ２）の状態、及び第３光変調器５３（ＥＡ３）の状態の対応関係を表す。表４は、表３に示された上位ビット及び下位ビットに応じて新たに生成されてＥＡ１へ入力される二値の電気信号と、それに対応したＥＡ１の動作状態（ＯＮ／ＯＦＦ状態）を示している。同様に、表５は表３に示された上位ビット及び下位ビットに応じて新たに生成されてＥＡ２へ入力される二値の電気信号と、それに対応したＥＡ２の動作状態（ＯＮ／ＯＦＦ状態）を示している。表６は、ＥＡ３に関する同様の対応表である。このように本実施形態の論理演算回路１００は、複数の二値電気入力信号（上位ビット及び下位ビット）を受け取り、新たな複数の二値電気信号（各ＥＡへ入力される二値電気信号）を生成することに特徴がある。

表４に示されているように、論理演算回路１００は、上位ビットと下位ビットの入力がいずれも１の場合にのみ０を出力し、それを受けたＥＡ１は消光を行わず、光源６０の連続光はＥＡ１を透過してＥＡ２へと繋がる。他の場合には、論理演算回路１００は１を出力し、それを受けたＥＡ１はＯＮ状態、つまり消光状態となる。表５に示されているように、論理演算回路１００は、上位ビットが０の場合にＥＡ２に向けて１を出力し、上位ビットが１の場合に０を出力する。表６に示されているように、論理演算回路１００は、上位ビットと下位ビットの入力がいずれも０の場合にのみＥＡ３に向けて１を出力し、他の場合には０を出力する。このように、論理演算回路１００は上位ビット及び下位ビットの値に応じて、新たな二値信号を生成し、３つの光変調器のＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り換えることで、光のＰＡＭ４信号を生成することができる。

図３は、ＰＡＭ４のレベル（０，１，２，３）、光強度（相対値）、及び２ビット信号の対応関係を表す。図３に示された２ビット信号はグレイコード（Ｇｒａｙ Ｃｏｄｅ）方式に基づいて論理演算される。図３に示されているように、２ビット信号は、ＰＡＭ４レベル（０，１，２，３）に相当し、ＰＡＭ４レベルは光信号ではその光強度（相対値）の１，４，７，１０に対応する。

表７は、２ビット信号の上位ビットと下位ビット、ＰＡＭ４のレベル（０，１，２，３）、第１光変調器５１（ＥＡ１）の状態、第２光変調器５２（ＥＡ２）の状態、及び第３光変調器５３（ＥＡ３）の状態の対応関係を表す。表８は、表７に示された上位ビット及び下位ビットに応じて新たに生成されてＥＡ１へ入力される二値の電気信号と、それに対応したＥＡ１の動作状態（ＯＮ／ＯＦＦ状態）を表す。同様に、表９は表７に示された上位ビット及び下位ビットに応じて新たに生成されてＥＡ２へ入力される二値の電気信号と、それに対応したＥＡ２の動作状態（ＯＮ／ＯＦＦ状態）を表す。表１０は、ＥＡ３に関する同様の対応表である。このように本実施形態の論理演算回路１００は、複数の二値電気入力信号（上位ビット及び下位ビット）を受け取り、新たな複数の二値電気信号（各ＥＡへ入力される二値電気信号）を生成することに特徴がある。

表８に示されているように、論理演算回路１００は、上位ビットの入力が１で下位ビットの入力が０の場合にのみ０を出力し、それを受けたＥＡ１は消光を行わず、光源６０の連続光はＥＡ１を透過してＥＡ２へと繋がる。他の場合には、論理演算回路１００は１を出力し、それを受けたＥＡ１はＯＮ状態、つまり消光状態となる。表９に示されているように、論理演算回路１００は、上位ビットが０の場合にはＥＡ２に向けて１を出力し、上位ビットが１の場合にはＥＡ２に向けて０を出力する。表１０に示されているように、論理演算回路１００は、上位ビットと下位ビットの入力がいずれも０の場合にのみＥＡ３に向けて１を出力し、他の場合には０を出力する。このように、論理演算回路１００は上位ビット及び下位ビットの値に応じて、新たな二値信号を生成し、３つの光変調器のＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替えることで、光のＰＡＭ４信号を生成することができる。

図４は、光変調器への入力に対する二値電気信号を生成する論理回路の例を表す。図４の回路では、Ａ，Ｂは入力である上位ビットと下位ビットに対応し、出力はＥＡ１，２，３の各々への出力に対応する。

図４（ａ）は、表４に示された上位ビット及び下位ビットとＥＡ１への出力との関係を表す回路を示している。具体的には図４（ａ）はＡＮＤ回路とＮＯＴ回路を直列接続した回路を表しているが、この回路以外の回路も考えられ得る。図４（ｂ）は、表５に示された上位ビット及び下位ビットとＥＡ２への出力との関係を表す回路を示している。具体的には図４（ｂ）はＮＯＴ回路を表しているが、この回路以外の回路も考えられ得る。図４（ｃ）は、表６に示された上位ビット及び下位ビットとＥＡ３への出力との関係を表す回路を示している。具体的には図４（ｃ）はＯＲ回路とＮＯＴ回路を直列接続した回路を表しているが、この回路以外の回路も考えられ得る。図４で示したように、複数の二値電信号入力に対して従来のように多値電気信号を生成することなく、簡易的な論理回路で複数のＥＡ変調器の駆動状態を決定し、大型な論理演算回路を必要とせずに光の多値変調信号を生成することが出来る。

［第２実施形態］
図５は、本願の実施形態による他の光送信モジュールの例を表す。本実施形態に係る光送信モジュールは、光源と３つのＥＡ変調器が一つの素子上に一体集積されたＥＡ変調器集積ＤＦＢ－ＬＤ４００が用いられている。

本願の光送信モジュールは、二値電気入力信号に基づいて複数の光変調器のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御することによってＰＡＭ４の光変調信号の生成を実現する。従来技術に係る光送信モジュールとは対照的に、本願の光送信モジュールは、二値電気信号から多値電気信号への変換を行うことなく、二値電気信号から直接多値光強度変調を実現することができる。つまり本願の光送信モジュールは、二値電気信号を多値電気信号に変換する回路を要しないので、回路構成が単純になると考えられる。その結果、光送信モジュールの大型化及び消費電力の増大が抑制される。さらには本願の光送信モジュールは、二値電気信号を多値電気信号に変換する段階を省くのでレイテンシーを小さくすることが可能となる。

また本願の光送信モジュールは、二値電気信号を多値電気信号に変換しないため、伝達される光信号の劣化を抑制することができる。その結果本願の光送信モジュールは、より信頼性の高い信号伝達を実現することができる。

１ 上位ビット、２ 下位ビット、１１ 高周波線路、１２ 高周波線路、１３ 高周波線路、２１ Ａｕワイヤ、２２ Ａｕワイヤ、２３ Ａｕワイヤ、３１ 薄膜抵抗、３２ 薄膜抵抗、３３ 薄膜抵抗、４１ レンズ、４２ レンズ、４３ レンズ、５１ ＥＡ変調器、５２ ＥＡ変調器、５３ ＥＡ変調器、６０ 光源、７０ ビアホール、８０ チップコンデンサ、９０ ＧＮＤパターン、１００ 論理演算回路、２００ 光送信モジュール、３００ 光源駆動装置、４００ ＥＡ変調器集積ＤＦＢ－ＬＤ。

Claims (5)

1. 連続光を出射する光源と、
   前記連続光の経路に対して直列に配置されて、印加される変調信号に応じて、光吸収の相対的に大きな状態と光吸収の相対的に小さな状態とを切り換えることで前記連続光を変調する複数の光変調器と、
   複数の二値電気入力信号を並列に受け取り、前記複数の二値電気入力信号を論理演算することで新たな複数の二値電気信号を生成する論理演算回路、を有し、
   前記新たな二値電気信号の各々は、対応する前記複数の光変調器の各々へ前記変調信号として印加される、
   光送信モジュール。
2. 前記新たな二値電気信号の各々は、前記論理演算回路によって対応する前記複数の光変調器の各々へ前記変調信号として印加される、請求項１に記載の光送信モジュール。
3. さらに前記複数の光変調器を駆動する駆動装置を有する請求項１に記載の光送信モジュールであって、
   前記新たな二値電気信号の各々は、前記駆動装置によって対応する前記複数の光変調器の各々へ前記変調信号として印加される、光送信モジュール。
4. 前記論理演算回路が、グレイコードに基づいて前記複数の二値電気入力信号を論理演算する、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の光送信モジュール。
5. 前記光源と前記複数の光変調器が一の素子上に集積される、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の光送信モジュール。

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