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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-09-05
(54)【発明の名称】光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機
(51)【国際特許分類】
H04B 10/50 20130101AFI20240829BHJP
H04B 10/60 20130101ALI20240829BHJP
【ＦＩ】
H04B10/50
H04B10/60
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024514724
(86)(22)【出願日】2021-10-22
(85)【翻訳文提出日】2024-03-06
(86)【国際出願番号】 JP2021039059
(87)【国際公開番号】W WO2023067790
(87)【国際公開日】2023-04-27
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100153006
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 勇三
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(74)【代理人】
【識別番号】100121669
【弁理士】
【氏名又は名称】本山 泰
(72)【発明者】
【氏名】ディアマドプロス ニコラオス パデレイモン
【テーマコード（参考）】
5K102
【Ｆターム（参考）】
5K102AA01
5K102AH01
5K102AH21
5K102AL18
5K102KA01
5K102KA39
5K102PB01
5K102PB18
5K102PH38
5K102RD26
(57)【要約】
本発明の光伝送システム（１０）は、Ｎチャネルの第１の電気変調信号をＮチャネルの光変調信号に変換して送信するＮ台の直接変調レーザと、Ｎチャネルの光変調信号を受信してＮチャネルの第２の電気変調出力信号に変換するＮ台のフォトディテクタと、Ｎチャネルの第１の電気変調信号に対して等化処理を実行して、Ｎチャネルの第１の電気変調信号の間のクロストークを補償する第１のＭＩＭＯ等化器（１０８）と、Ｎチャネルの第２の電気変調信号に対して等化処理を実行して、Ｎチャネルの第２の電気変調信号の間のクロストークを補償する第２のＭＩＭＯ等化器（１０８）との少なくともいずれか一方を備え、等化処理にインパルス応答に基づくマトリックス係数を用いる。
これにより、本発明は、クロストークを低減でき、良好なＢＥＲ特性が得られる光伝送システムを提供できる。
【選択図】図１
これにより、本発明は、クロストークを低減でき、良好なＢＥＲ特性が得られる光伝送システムを提供できる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｎチャネルの第１の電気変調信号をＮチャネルの光変調信号に変換して送信するＮ台の直接変調レーザと、前記Ｎチャネルの光変調信号を受信してＮチャネルの第２の電気変調信号に変換するＮ台のフォトディテクタと、
前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号に対して等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号の間のクロストークを補償する第１のＭＩＭＯ等化器と、前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号に対して等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号の間のクロストークを補償する第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方を備え、
前記等化処理に、インパルス応答に基づくマトリックス係数を用いる
ことを特徴とする光伝送システム。
【請求項2】
前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方のベクトルＸと、前記等化処理された信号のベクトルＹと、前記マトリックス係数Ｗとにより表される式（Ａ）において、実験的にベクトルＸに対して測定されたベクトルＹと、所望の出力信号ベクトルとの平均二乗誤差が最小になるように最適な前記マトリックス係数が学習される
ことを特徴とする請求項１に記載の光伝送システム。
【数1】
【請求項3】
前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方のベクトルＸと、前記等化処理された信号のベクトルＹと、前記マトリックス係数Ｗとにより表される式（Ａ）において、式（Ｂ）を用いて算出された前記ベクトルＸに対してシミュレーションされたベクトルＹと、所望の出力信号ベクトルとの平均二乗誤差が最小になるように最適な前記マトリックス係数が学習される
ことを特徴とする請求項１に記載の光伝送システム。
【数2】
【数3】
【請求項4】
順に、前記Ｎ台の直接変調レーザを駆動するＮ台のＲＦドライバと、前記Ｎ台の直接変調レーザと
を備える送信機と、
順に、前記Ｎ台のフォトディテクタと、
Ｎ台のＡＤ変換器と、
前記第２のＭＩＭＯ等化器と
を備える受信機と、
前記送信機と、前記受信機とを接続する通信路と
を備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光伝送システム。
【請求項5】
順に、前記第１のＭＩＭＯ等化器と、Ｎ台のＤＡ変換器と、
前記Ｎ台の直接変調レーザを駆動するＮ台のＲＦドライバと、
前記Ｎ台の直接変調レーザと
を備える送信機と、
前記Ｎ台のフォトディテクタを備える受信機と、
前記送信機と、前記受信機とを接続する通信路と
を備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光伝送システム。
【請求項6】
少なくとも前記送信機と前記受信機とのいずれか一方が、ＰＩＣに搭載されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の光伝送システム。
【請求項7】
Ｎチャネルの第１の電気変調信号をＮチャネルの光変調信号に変換して送信するＮ台の直接変調レーザと、前記Ｎチャネルの光変調信号を受信してＮチャネルの第２の電気変調信号に変換するＮ台のフォトディテクタと、
前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号が入力する第１のＭＩＭＯ等化器と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号が入力する第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方と
を用いる光伝送方法であって、
前記第１のＭＩＭＯ等化器と前記第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方に任意のマトリックス係数を設定するステップと、
前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方を、前記第１のＭＩＭＯ等化器と前記第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方に入力して、Ｎチャネルの出力信号を実験的に測定するステップと、
式（Ａ）において、前記測定された出力信号と所望の出力信号との平均二乗誤差が各チャネルで最小となるように、最適なマトリックス係数を決定するステップと
前記第１のＭＩＭＯ等化器と前記第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方で、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方に対して、前記最適なマトリックス係数を用いて等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方の信号間のクロストークを補償するステップと
を備える光伝送方法。
【数4】
【請求項8】
Ｎチャネルの第１の電気変調信号をＮチャネルの光変調信号に変換して送信するＮ台の直接変調レーザと、前記Ｎチャネルの光変調信号を受信してＮチャネルの第２の電気変調信号に変換するＮ台のフォトディテクタと、
前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号が入力する第１のＭＩＭＯ等化器と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号が入力する第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方と
を用いる光伝送方法であって、
前記Ｎチャネルの光変調信号のベクトルを、式（Ｂ）により計算するステップと、
前記第１のＭＩＭＯ等化器と前記第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方の出力信号のベクトルを、式（Ａ）により計算するステップと、
前記計算された出力信号のベクトルと、所望の出力信号ベクトルとの平均二乗誤差が最小になるように最適なマトリックス係数を決定するステップと、
前記第１のＭＩＭＯ等化器と前記第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方で、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方に対して、前記最適なマトリックス係数を用いて等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方の信号間のクロストークを補償するステップと
を備える光伝送方法。
【数5】
【数6】
【請求項9】
順に送信機と通信路と受信機とを備える光伝送システムにおいて、前記受信機で前記通信路を介して受信されるＮチャネルのアナログ光変調信号を送信する前記送信機であって、
Ｎチャネルのデジタル電気変調信号が入力されるＭＩＭＯ等化器と
前記Ｎチャネルのデジタル電気変調信号をＮチャネルのアナログ電気変調信号に変換するＤＡ変換器と、
前記Ｎチャネルのアナログ電気変調信号が入力されるＮ台のＲＦドライバと、
前記Ｎ台のＲＦドライバに入力されるＮチャネルのアナログ電気変調信号により駆動され、前記Ｎチャネルのアナログ光変調信号を出力するＮ台の直接変調レーザと
を備え、
前記ＭＩＭＯ等化器が、前記Ｎチャネルのデジタル電気変調信号に対して、インパルス応答に基づくマトリックス係数を用いて等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの電気変調信号間のクロストークを補償する
ことを特徴とする送信機。
【請求項10】
順に送信機と通信路と受信機とを備える光伝送システムにおいて、前記送信機から送信されるＮチャネルのアナログ光変調信号を前記通信路を介して受信する前記受信機であって、
前記Ｎチャネルのアナログ光変調信号を受信して、Ｎチャネルのアナログ電気変調信号に変換するＮ台のフォトディテクタを有するフォトディテクタアレイと、
前記Ｎチャネルのアナログ電気変調信号をＮチャネルのデジタル電気変調信号に変換するＡＤ変換器と、
前記Ｎチャネルのデジタル電気変調信号が入力されるＭＩＭＯ等化器と
を備え、
前記ＭＩＭＯ等化器が、前記Ｎチャネルのデジタル電気変調信号に対して、インパルス応答に基づくマトリックス係数を用いて等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの電気変調信号間のクロストークを補償する
ことを特徴とする受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、直接変調レーザを用いた光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機に関する。
【背景技術】
【0002】
データセンタおよびアクセスネットワークのインターネットトラフィックの増大が見込まれており、８００－Ｇｂ／ｓ又は１．６Ｔｂ／ｓのデータレートのイーサネット（登録商標）の実用化が期待されている。短距離通信においては、低コスト化、低消費電力化の観点から、強度変調直接検波（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ－ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｄｉｒｅｃｔ－ｄｅｔｅｃｔｅｄ、ＩＭＤＤ）システムが注目されている。
【0003】
このＩＭＤＤシステムに用いられる光トランシーバは、低消費電力直接変調レーザ（ｄｉｒｅｃｔｌｙ－ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｌａｓｅｒ、ＤＭＬ）が搭載され、波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、ＷＤＭ）における複数の波長チャネル、又は空間多重分割（Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、ＳＤＭ）システムにおける空間チャネルに対応する。ＷＤＭ／ＳＤＭに対応する光トランシーバは、フォトニック集積回路（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ／ｃｈｉｐ、ＰＩＣ）を用い、同一ＰＩＣ内にレーザ、変調器、フォトディテクタ等の部品が実装される。
【0004】
また、近年の標準化技術における変調フォーマットは、４値パルス振幅変調（ＰＡＭ：Ｐｕｌｓｅ－Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）である。そこで、８００－Ｇｂ／ｓや１．６Ｔｂ／ｓでＷＤＭ／ＳＤＭを実現するためには、８又は１６チャネルそれぞれが５０ＧＢａｕｄ以上を有する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】国際公開第２０２０／１０５４３０号
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】N.P. Diamantopoulos, et al., “400-Gb/s DMT-SDM Transmission based on Membrane DML-Array-on-Silicon,” J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 8, pp. 1805-1812, Apr. 2019.
【非特許文献2】N.P. Diamantopoulos, et al., “4×56-GBaud PAM-4 SDM Transmission Over 5.9-km 125-μm-Cladding MCF Using III-V-on-Si DMLs,” in Proc. Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC 2020), San Diego, CA, USA, 8 - 12 Mar. 2020, paper W1D.4.
【非特許文献3】T. Fujii, et al., “Multiwavelength membrane laser array using selective area growth on directly bonded InP on SiO2/Si,” Optica, vol. 7, no. 7, pp. 838-846, July 2020.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ＰＩＣ内に複数の部品を実装する場合に、クロストークが増加することが問題となる。クロストークにおいて、直接電流クロストークが比較的容易に耐性が得られる一方、高周波クロストークはＰＡＭ４変調の信号対干渉雑音比（ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ、ＳＩＮＲ）に大きな影響を与える。その影響は、より高いデータレートで電子及び光電子部品の帯域制限がＰＡＭ４特性を劣化させるため重要になる。
【0008】
図７Ａ－Ｄに、ＩＭＤＤシステムにおける、Ｓｉ上の低消費電力メンブレンＤＭＬによる５４ＧＢａｕｄのＰＡＭ４変調を示す（非特許文献１－３）。図７Ａ、Ｂそれぞれに、電気的なＲＦクロストークが無い場合と電気的なＲＦクロストークが－１５ｄＢである場合の直接変調信号のアイパターンを示す。直接変調信号は、Ｓｉ上のメンブレンレーザによって１３ｍＡの電流で生成された。
【0009】
従来のＤＭＬベースのＰＩＣを用いた測定によれば、ＲＦクロストークは－１５ｄＢ程度である（非特許文献１、２）。図７Ａ、Ｂに示すアイパターンのシミュレーション結果からわかるように、ＲＦクロストークを仮定しない場合に比べて、ＲＦクロストークが－１５ｄＢの場合にはＰＡＭ４特性は非常に大きく劣化する。
【0010】
従来のイーサネットの標準化において、ＦＥＣ（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）に要求されるビットエラーレート（ＢＥＲ、ｂｉｔ－ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ）は２．２Ｅ－４以下程度であり、フィードフォワード型等化器（ｆｅｅｄ－ｆｏｒｗａｒｄ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ、ＦＦＥ）も用いられる。
【0011】
図７Ｃに、電気的なＲＦクロストークが無い場合における等化器のタップ数に対するＢＥＲを示す。等化器のタップ数が４個以上で、ＢＥＲは１ｅ－６程度に減少する。このように、このＤＭＬシステムにおいて、最適のＦＦＥのタップ数は４個である。
【0012】
この４個のＦＦＥタップを用いても、図７Ｂに示すように、ＲＦクロストークが－１５ｄＢ場合には、ＢＥＲが１．３Ｅ－２程度に劣化してＦＥＣしきい値のＢＥＲ（２．２Ｅ－４）に達することができない。
【0013】
図７Ｄに、４個のタップを用いた場合におけるＢＥＲの電気的なＲＦクロストーク数依存性を示す。ＲＦクロストークが－４０ｄＢから－１０ｄＢに変化するときにＢＥＲは劣化し、ＲＦクロストークが－２２ｄＢ以上でＢＥＲは１．０Ｅ－４以上である。
【0014】
このように、ＲＦクロストークが増加すると、ＢＥＲ及びＰＡＭ４特性が劣化するので問題となる。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る光伝送システムは、Ｎチャネルの第１の電気変調信号をＮチャネルの光変調信号に変換して送信するＮ台の直接変調レーザと、前記Ｎチャネルの光変調信号を受信してＮチャネルの第２の電気変調信号に変換するＮ台のフォトディテクタと、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号に対して等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号の間のクロストークを補償する第１のＭＩＭＯ等化器と、前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号に対して等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号の間のクロストークを補償する第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方を備え、前記等化処理に、インパルス応答に基づくマトリックス係数を用いることを特徴とする。
【0016】
また、本発明に係る光伝送方法は、Ｎチャネルの第１の電気変調信号をＮチャネルの光変調信号に変換して送信するＮ台の直接変調レーザと、前記Ｎチャネルの光変調信号を受信してＮチャネルの第２の電気変調信号に変換するＮ台のフォトディテクタと、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号が入力する第１のＭＩＭＯ等化器と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号が入力する第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方とを用いる光伝送方法であって、前記第１のＭＩＭＯ等化器と前記第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方に任意のマトリックス係数を設定するステップと、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方を、前記第１のＭＩＭＯ等化器と前記第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方に入力して、Ｎチャネルの出力信号を実験的に測定するステップと、式（Ａ）において、前記測定された出力信号と所望の出力信号との平均二乗誤差が各チャネルで最小となるように、最適なマトリックス係数を決定するステップと前記第１のＭＩＭＯ等化器と前記第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方で、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方に対して、前記最適なマトリックス係数を用いて等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方の信号間のクロストークを補償するステップとを備える。
【0017】
また、本発明に係る光伝送方法は、Ｎチャネルの第１の電気変調信号をＮチャネルの光変調信号に変換して送信するＮ台の直接変調レーザと、前記Ｎチャネルの光変調信号を受信してＮチャネルの第２の電気変調信号に変換するＮ台のフォトディテクタと、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号が入力する第１のＭＩＭＯ等化器と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号が入力する第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方とを用いる光伝送方法であって、前記Ｎチャネルの光変調信号のベクトルを、式（Ｂ）により計算するステップと、前記第１のＭＩＭＯ等化器と前記第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方の出力信号のベクトルを、式（Ａ）により計算するステップと、前記計算された出力信号のベクトルと、所望の出力信号ベクトルとの平均二乗誤差が最小になるように最適なマトリックス係数を決定するステップと、前記第１のＭＩＭＯ等化器と前記第２のＭＩＭＯ等化器との少なくともいずれか一方で、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方に対して、前記最適なマトリックス係数を用いて等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号との少なくともいずれか一方の信号間のクロストークを補償するステップとを備える。
【0018】
【数1】
【0019】
また、本発明に係る受信機は、順に送信機と通信路と受信機とを備える光伝送システムにおいて、前記受信機で前記通信路を介して受信されるＮチャネルのアナログ光変調信号を送信する前記送信機であって、Ｎチャネルのデジタル電気変調信号が入力されるＭＩＭＯ等化器と前記Ｎチャネルのデジタル電気変調信号をＮチャネルのアナログ電気変調信号に変換するＤＡ変換器と、前記Ｎチャネルのアナログ電気変調信号が入力されるＮ台のＲＦドライバと、前記Ｎ台のＲＦドライバに入力されるＮチャネルのアナログ電気変調信号により駆動され、前記Ｎチャネルのアナログ光変調信号を出力するＮ台の直接変調レーザとを備え、前記ＭＩＭＯ等化器が、前記Ｎチャネルのデジタル電気変調信号に対して、インパルス応答に基づくマトリックス係数を用いて等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの電気変調信号間のクロストークを補償することを特徴とする。
【0020】
また、本発明に係る受信機は、順に送信機と通信路と受信機とを備える光伝送システムにおいて、前記送信機で、ＲＦドライバに入力されるＮチャネルのアナログ電気変調信号によりＮ台の直接変調レーザが駆動されＮチャネルのアナログ光変調信号が送信され、前記Ｎチャネルのアナログ光変調信号が前記通信路を介して入力される前記受信機であって、前記Ｎチャネルのアナログ光変調信号を受信して、Ｎチャネルのアナログ電気変調信号に変換するＮ台のフォトディテクタを有するフォトディテクタアレイと、前記Ｎチャネルのアナログ電気変調信号をＮチャネルのデジタル電気変調信号に変換するＡＤ変換器と、前記Ｎチャネルのデジタル電気変調信号が入力されるＭＩＭＯ等化器とを備え、前記ＭＩＭＯ等化器が、前記Ｎチャネルのデジタル電気変調信号に対して、インパルス応答に基づくマトリックス係数を用いて等化処理を実行して、前記Ｎチャネルの電気変調信号間のクロストークを補償することを特徴とする。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、クロストークを低減でき、良好なＢＥＲ特性が得られる光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【発明を実施するための形態】
【0023】
【0024】
＜光伝送システムの構成＞
本実施の形態に係る光伝送システム１０は、図１に示すように、直接変調レーザ（ＤＭＬ）ベースの送信機（Ｔｘ）１０１と、直接検波ベースの受信機（Ｒｘ）１０２と、送信機１０１と受信機１０２とを繋ぐ通信路１０５とを備える。光伝送システム１０において、送信機１０１にはアナログ電気変調信号１＿１が入力され、受信機１０２からデジタル電気変調信号２＿１が出力される。
本実施の形態に係る光伝送システム１０は、図１に示すように、直接変調レーザ（ＤＭＬ）ベースの送信機（Ｔｘ）１０１と、直接検波ベースの受信機（Ｒｘ）１０２と、送信機１０１と受信機１０２とを繋ぐ通信路１０５とを備える。光伝送システム１０において、送信機１０１にはアナログ電気変調信号１＿１が入力され、受信機１０２からデジタル電気変調信号２＿１が出力される。
【0025】
送信機１０１は、入力側から順に、駆動装置１０３と、レーザアレイ１０４を備える。駆動装置１０３は、複数（Ｎ台）のＲＦドライバを備える。レーザアレイ１０４は、複数（Ｎ台）のＤＭＬを備える。ＲＦドライバはＲＦ電気信号でＤＭＬを駆動し、ＤＭＬでは出力光がＲＦ信号により直接変調され、電気変調信号を光変調信号に変換する。
【0026】
通信路１０５は、光ファイバ、空気などの自由空間、またはＰＩＣの光導波路である。
【0027】
受信機１０２は、通信路１０５と接続する側から順に、フォトディテクタ（Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ、ＰＤ）アレイ１０６と、ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器１０７と、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ， Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）等化器１０８とを備える。
【0028】
ＰＤアレイ１０６は、複数（Ｎ台）のＰＤを備え、アナログ光変調信号をアナログ電気変調信号に変換する。
【0029】
ＡＤ変換器１０７は、複数（Ｎ台）であり、アナログ電気変調信号をデジタル電気変調信号に変換する。
【0030】
ＭＩＭＯ等化器１０８は、この光伝送システム１０における特徴的な部品であり、レーザアレイ１０４とＰＤアレイ１０６と駆動装置１０３それぞれにおいて隣接するチャネルによるＲＦクロストークを補償するために用いられる。
【0031】
光伝送システム１０では、送信機１０１における駆動装置１０３のＮ台のＲＦドライバに入力されたＮチャネルのアナログ電気変調信号によりレーザアレイ１０４のＮ台のＤＭＬが直接変調される。レーザアレイ１０４からＮチャネルのアナログ光変調信号が送信され、通信路１０５を伝搬して、受信機１０２におけるＰＤアレイ１０６のＮ台のＰＤで受信される。ＰＤアレイ１０６で受信されたＮチャネルのアナログ光変調信号はＮチャネルのアナログ電気変調信号に変換され、Ｎ台のＡＤ変換器１０７によってデジタル電気変調信号に変換される。Ｎチャネルのデジタル電気変調信号はＭＩＭＯ等化器１０８に入力され、等化処理を施され出力される。
【0032】
ここで、ＭＩＭＯ等化器１０８により、Ｎチャネルの変調信号間で生じるＲＦクロストークを補償する。
【0033】
また、複数（Ｎチャネル）の信号が４チャネルの場合には、ＤＭＬとＰＤとＲＦドライバとＡＤ変換器１０７はそれぞれ４台搭載される。また、８チャネルの信号に対してそれぞれの部品は８台、１６チャネルの信号に対してそれぞれの部品は１６台搭載される。
【0034】
＜ＭＩＭＯ等化器の動作＞
本実施の形態に係る光伝送システム１０におけるＭＩＭＯ等化器１０８の動作を以下に説明する。
本実施の形態に係る光伝送システム１０におけるＭＩＭＯ等化器１０８の動作を以下に説明する。
【0035】
ＭＩＭＯ等化器１０８における入力ＲＦ信号をベクトルＸ、出力ＲＦ信号をベクトルＹとすると、これらの関係は式（１）で表される。
【0036】
【数2】
【0037】
ここで、ＷはＭＩＭＯ等化器１０８の重みマトリックスであり、ＤＭＬ伝送システムにおけるＭＩＭＯ等化器１０８のインパルス応答の逆数である。
【0038】
ＭＩＭＯ等化器１０８において、チャネル数がＮｃｈ、各チャネルのタップ数がＮｔａｐｓであると仮定する。
【0039】
【0040】
マトリックスの係数（重み）Ｗは、Ｙと既知のターゲット信号との間の平均二乗誤差（ｍｅａｎｓ ｓｑｕａｒｅｄ ｅｒｒｏｒ、ＭＳＥ）が最小となるように学習される。
【0041】
この学習において、Ｂａｃｋ－ｔｏ－ｂａｃｋの光学系での実験的に取得された測定値を用いて学習される。ここで、Ｂａｃｋ－ｔｏ－ｂａｃｋとは、伝送路を省いた、送信機１０１と受信機１０２を直接接続した実験用の構成である。
【0042】
例えば、実験的に得られるクロストークを含むＮチャネルの信号Ｘ１を、マトリックスの係数（重み）ＷをＷ１に設定したＭＩＭＯ等化器１０８に入力して、ＮチャネルのＭＩＭＯ等化器１０８の出力信号Ｙ１を測定する。このＮチャネルの測定された出力信号Ｙ１と所望の出力信号（すなわちクロストークの影響が抑制された出力信号）Ｙ０とのＭＳＥが各チャネルで最小となるように、最適なマトリックス係数Ｗｏｐｔを決定する。
【0043】
この最適なマトリックス係数ＷｏｐｔをＭＩＭＯ等化器１０８に設定することにより、所望の出力信号Ｙ０と同等の信号、すなわちクロストークの影響が抑制された信号が出力される。
【0044】
このように、本実施の形態に係る光伝送システム１０におけるＭＩＭＯ等化器１０８は、インパルス応答に基づくマトリックス係数を用いて等化処理を実行して、複数（Ｎチャネル）の信号間のクロストークを補償する。
【0045】
＜効果＞
本実施の形態に係る光伝送システム１０の効果を実証するために、ＤＭＬベースの送信機１０１に基づきシミュレーションを行った。シミュレーションでは、図２に示すＤＭＬの典型的な電気－光（ＥＯ）応答を仮定した。ＤＭＬはＳｉ上のメンブレンレーザであり、１３ｍＡのバイアス電流、２０ＧＨｚで－３ｄＢ帯域幅で動作する。
本実施の形態に係る光伝送システム１０の効果を実証するために、ＤＭＬベースの送信機１０１に基づきシミュレーションを行った。シミュレーションでは、図２に示すＤＭＬの典型的な電気－光（ＥＯ）応答を仮定した。ＤＭＬはＳｉ上のメンブレンレーザであり、１３ｍＡのバイアス電流、２０ＧＨｚで－３ｄＢ帯域幅で動作する。
【0046】
図３Ａに、ＭＩＭＯ等化器のタップ数Ｎｔａｐｓに対する５４ＧＢａｕｄのＰＡＭ４信号のＢＥＲ特性のシミュレーション結果を示す。ここで、ＲＦクロストークは－１５ｄＢである。
【0047】
ＢＥＲはタップ数の増加にともない減少する。タップ数が１個から３個のときに、ＢＥＲは２ｅ－１から４ｅ－２程度であり、上述のクロストークが無い場合（図７Ｃ）と同等の値である。このように、光伝送システム１０において、クロストークが低減される。
【0048】
さらに、タップ数が４個に増加するとき、ＢＥＲは著しく減少する。ＢＥＲは、４個のタップで３ｅ－４程度に減少し、８個のタップで１ｅ－４以下に減少する。このように、光伝送システム１０において良好なＢＥＲ特性が得られる。
【0049】
図３Ｂ、Ｃそれぞれに、タップ数Ｎｔａｐｓが４個と８個の場合における５４ＧＢａｕｄのＰＡＭ４信号のアイパターンとＢＥＲを示す。
【0050】
タップ数Ｎｔａｐｓが４個の場合、クロストークがある場合（図７Ｂ）に比べて、良好なアイパターンが得られる。また、タップ数Ｎｔａｐｓが８個の場合、ＢＥＲが６．１Ｅ－５であり、イーサネットリンクのＦＥＣしきい値以下に低減される。
【0051】
このように、光伝送システム１０において、少なくとも１個のタップ数を有するＭＩＭＯ等化器により、クロストークを低減でき、良好なＢＥＲ特性が得られる。また、ＭＩＭＯ等化器のタップ数は４個以上であることが望ましく、顕著にクロストークを低減でき、良好なＢＥＲ特性が得られる。
【0052】
本実施の形態に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機によれば、ＭＩＭＯ等化器によりクロストークを低減でき、良好なＢＥＲ特性が得られる。
【0053】
また、２ｋｍ程度までの短距離通信で４００Ｇｂ／ｓ以上の信号を低消費電力で確実に伝送できる。
【0054】
とくに、本実施の形態に係る光伝送システムにおける送信機および受信機をフォトニック集積回路又はチップ（ＰＩＣ）に搭載する場合に、短距離通信で４００Ｇｂ／ｓ以上の信号を低消費電力で確実に伝送できる。ここで、送信機と受信機とのいずれか一方をＰＩＣに搭載してもよい。
【0055】
＜変形例１＞
本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機について、図４を参照して説明する。
本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機について、図４を参照して説明する。
【0056】
本変形例１に係る光伝送システム２０は、図４に示すように、ＤＭＬベースの送信機（Ｔｘ）と、直接検波ベースの受信機（Ｒｘ）と、送信機２０１と受信機２０２とを繋ぐ通信路２０５とを備える。光伝送システム２０において、送信機２０１にはデジタル電気変調信号が入力され、受信機２０２からデジタル電気変調信号が出力される。
【0057】
送信機２０１は、入力側から順に、ＤＡ（Ｄｉｇｉｔａｌ－ｔｏ－Ａｎａｌｏｇ）変換器とＲＦドライバと、レーザアレイ２０４を備える。受信機２０２は、通信路２０５と接続する側から順に、ＰＤアレイ２０６と、ＡＤ変換器２０７と、ＭＩＭＯ等化器２０８とを備える。その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。
【0058】
光伝送システム２０では、送信機２０１のＮ台のＤＡ変換器２０９に入力されたＮチャネルのデジタル電気変調信号がＮチャネルのアナログ電気変調信号に変換され、Ｎ台のＲＦドライバに入力される。以下、第１の実施の形態と同様に、レーザアレイ２０４からＮチャネルのアナログ光変調信号が送信され、通信路２０５を伝搬する。引き続き、受信機２０２におけるＰＤアレイ２０６で受信され、Ｎチャネルのアナログ電気変調信号に変換され、ＭＩＭＯ等化器２０８で等化処理を施され、デジタル電気変調信号が出力される。ここで、ＭＩＭＯ等化器２０８により、Ｎチャネルの変調信号間で生じるＲＦクロストークを補償する。
【0059】
本変形例に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機によれば、第１の実施の形態と同様に、ＭＩＭＯ等化器によりクロストークを低減でき、良好なＢＥＲ特性が得られる。
【0060】
＜変形例２＞
本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機について、図５を参照して説明する。
本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機について、図５を参照して説明する。
【0061】
本実施の形態の変形例２に係る光伝送システム３０は、図５に示すように、ＤＭＬベースの送信機（Ｔｘ）と、直接検波ベースの受信機（Ｒｘ）と、送信機３０１と受信機３０２とを繋ぐ通信路３０５とを備える。光伝送システム３０において、送信機３０１にはデジタル電気変調信号が入力され、受信機３０２からデジタル電気変調信号が出力される。
【0062】
送信機３０１は、入力側から順に、ＭＩＭＯ等化器３０８と、ＤＡ変換器３０９と、ＲＦドライバと、レーザアレイ３０４とを備える。受信機３０２は、通信路３０５と接続する側から順に、ＰＤアレイ３０６と、ＡＤ変換器３０７とを備える。その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。
【0063】
光伝送システム３０では、送信機３０１のＭＩＭＯ等化器３０８に入力されたＮチャネルのデジタル電気変調信号が等化処理を施され、Ｎ台のＤＡ変換器３０９に入力される。引き続き、Ｎ台のＤＡ変換器３０９でＮチャネルのアナログ電気変調信号に変換され、Ｎ台のＲＦドライバに入力される。Ｎ台のＲＦドライバに駆動されたレーザアレイ３０４からＮチャネルのアナログ光変調信号が送信され、通信路３０５を伝搬して、受信機３０２におけるＰＤアレイ３０６で受信され、ＡＤ変換器３０７によりＮチャネルのデジタル電気変調信号に変換され出力される。ここで、ＭＩＭＯ等化器３０８により、Ｎチャネルの変調信号間で生じるＲＦクロストークを補償する。
【0064】
本変形例に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機によれば、第１の実施の形態と同様に、ＭＩＭＯ等化器によりクロストークを低減でき、良好なＢＥＲ特性が得られる。
【0065】
＜変形例３＞
本発明の第１の実施の形態の変形例３に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機について、図６を参照して説明する。
本発明の第１の実施の形態の変形例３に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機について、図６を参照して説明する。
【0066】
本実施の形態の変形例３に係る光伝送システム４０は、図６に示すように、ＤＭＬベースの送信機（Ｔｘ）と、直接検波ベースの受信機（Ｒｘ）と、送信機４０１と受信機４０２とを繋ぐ通信路４０５とを備える。光伝送システム４０において、送信機４０１にはデジタル電気変調信号が入力され、受信機４０２からアナログ電気変調信号が出力される。
【0067】
送信機４０１は、入力側から順に、ＭＩＭＯ等化器４０８と、ＤＡ変換器４０９と、ＲＦドライバと、レーザアレイ４０４とを備える。受信機４０２は、ＰＤアレイ４０６を備える。受信機４０２においてＰＤアレイ４０６の後段にＡＤ変換器を備えず、出力がアナログ電気変調信号である点が変形例２と異なる。それ以外の構成、動作は、変形例２と同じである。
【0068】
本変形例に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機によれば、第１の実施の形態と同様に、ＭＩＭＯ等化器によりクロストークを低減でき、良好なＢＥＲ特性が得られる。
【0069】
このように、本実施の形態およびその変形例に係る光伝送システムは、Ｎ台の直接変調レーザと、Ｎ台のフォトディテクタと、ＭＩＭＯ等化器とを備える。ここで、Ｎ台の直接変調レーザが、Ｎチャネルの電気変調信号（第１の電気変調信号）をＮチャネルの光変調信号に変換して送信する。Ｎ台のフォトディテクタが、Ｎチャネルの光変調信号を受信してＮチャネルの電気変調信号（第２の電気変調信号）に変換する。ＭＩＭＯ等化器が、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号とのいずれか一方に対して、インパルス応答に基づくマトリックス係数を用いて等化処理を実行する。これにより、Ｎチャネルの第１の電気変調信号とＮチャネルの第２の電気変調信号とのいずれか一方の信号間のクロストークを補償する。
【0070】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機について説明する。
本発明の第２の実施の形態に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機について説明する。
【0071】
＜光伝送システムの構成＞
本実施の形態に係る光伝送システムは、図１に示すように、ＤＭＬベースの送信機（Ｔｘ）と、直接検波ベースの受信機（Ｒｘ）と、ＴｘとＲｘとを繋ぐ通信路とを備え、第１の実施の形態と同じ構成である。
本実施の形態に係る光伝送システムは、図１に示すように、ＤＭＬベースの送信機（Ｔｘ）と、直接検波ベースの受信機（Ｒｘ）と、ＴｘとＲｘとを繋ぐ通信路とを備え、第１の実施の形態と同じ構成である。
【0072】
＜ＭＩＭＯ等化器の動作＞
本実施の形態に係る光伝送システムにおけるＭＩＭＯ等化器は、第１の実施の形態と同様に、式（１）に示すように、ベクトルＸのＲＦ信号が入力されるとき、ベクトルＹのＲＦ信号が出力する。マトリックスＷの係数は、学習アルゴリズムに基づき、Ｙと既知のターゲット信号との間のＭＳＥを最小限にすることにより学習される。
本実施の形態に係る光伝送システムにおけるＭＩＭＯ等化器は、第１の実施の形態と同様に、式（１）に示すように、ベクトルＸのＲＦ信号が入力されるとき、ベクトルＹのＲＦ信号が出力する。マトリックスＷの係数は、学習アルゴリズムに基づき、Ｙと既知のターゲット信号との間のＭＳＥを最小限にすることにより学習される。
【0073】
本実施の形態では、学習において、ＲＦクロストークを含むシミュレーションが用いられる。
【0074】
このシミュレーションにおいて、初めに、クロストークを含むＤＭＬの出力をＮチャネルの信号ベクトルＸ１として計算する。
【0075】
ここで、ＤＭＬの出力は、１つのチャネルから隣接するチャネルへの漏れバイアス電流を介して、隣接するレーザ間のクロストークを考慮してシミュレーションされる。この数値シミュレーションにおいて、式（２）で表されるキャリア密度のレート方程式を用いる。
【0076】
【数3】
【0077】
ここで、ｔは時間、ＮはＤＭＬのキャリア密度、ηｉは量子効率、ｑは電荷密度、ＶはＤＭＬの活性層の体積である。また、IとIＸＴは、それぞれ印加信号とクロストークの瞬間電流である。Ｒ（Ｎ）はキャリアの再結合因子、Ｇは利得、Ｓは光子密度である。
【0078】
また、Ｉ（ｔ）の計算において、ロールオフ係数が０．１であるルート・レイズド・コサイン（ｒｏｏｔ－ｒａｉｓｅｄ ｃｏｓｉｎｅ、ＲＲＣ）・フィルタによって成形される５４ＧＢａｕｄのＰＡＭ４信号を仮定した。
【0079】
次に、マトリックス係数ＷをＷ１に設定して、式（１）より、計算された信号ベクトルＸ１を用いて、ＭＩＭＯ等化器の出力としてＮチャネルの信号ベクトルＹ１を計算する。
【0080】
最後に、計算された信号ベクトルＹ１と所望の出力信号ベクトル（すなわちクロストークの影響が抑制された出力信号のベクトル）Ｙ０とのＭＳＥが各チャネルで最小となるように、最適なマトリックス係数Ｗｏｐｔを決定する。
【0081】
この最適なマトリックス係数ＷｏｐｔをＭＩＭＯ等化器に設定することにより、所望の出力信号Ｙ０と同等の信号、すなわちクロストークの影響が抑制された信号が出力される。
【0082】
このように、本実施の形態に係る光伝送システムにおけるＭＩＭＯ等化器では、シミュレーションにより得られる、インパルス応答に基づくマトリックス係数を用いて等化処理を実行する。
【0083】
本実施の形態に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機によれば、第１の実施の形態と同様に、ＭＩＭＯ等化器によりクロストークを低減でき、良好なＢＥＲ特性が得られる。
【0084】
本実施の形態に係る光伝送システムでは、第１の実施の形態と同じ構成を用いたが、第１の実施の形態の変形例１～３と同じ構成を用いてもよい。
【0085】
このように、本実施の形態に係る光伝送システムは、Ｎ台の直接変調レーザと、Ｎ台のフォトディテクタと、ＭＩＭＯ等化器とを備える。ここで、Ｎ台の直接変調レーザが、Ｎチャネルの電気変調信号（第１の電気変調信号）をＮチャネルの光変調信号に変換して送信する。Ｎ台のフォトディテクタが、Ｎチャネルの光変調信号を受信してＮチャネルの電気変調信号（第２の電気変調信号）に変換する。ＭＩＭＯ等化器が、前記Ｎチャネルの第１の電気変調信号と前記Ｎチャネルの第２の電気変調信号とのいずれか一方に対して、インパルス応答に基づくマトリックス係数を用いて等化処理を実行する。これにより、Ｎチャネルの第１の電気変調信号とＮチャネルの第２の電気変調信号とのいずれか一方の信号間のクロストークを補償する。
【0086】
本発明の実施の形態に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機によれば、デジタル信号にもアナログ信号にも対応できる。
【0087】
本発明の実施の形態に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機では、実験的に取得された測定値およびシミュレーションを用いて学習する例を示したが、これに限らず、等化器に関する既知の学習アルゴリズムを用いて学習してもよい。
【0088】
本発明の実施の形態に係る光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機では、ＭＩＭＯ等化器を送信機と受信機とのいずれか一方に備え、第１の電気変調信号と第２の電気変調信号とのいずれか一方に対して等化処理を実行する例を示したが、これに限らず、ＭＩＭＯ等化器を送信機と受信機との両方に備え、第１の電気変調信号と第２の電気変調信号との両方に対して等化処理を実行してもよい。
【0089】
本発明の実施の形態では、光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機の構成などにおいて、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。光伝送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。
【産業上の利用可能性】
【0090】
本発明は、光伝送システム、光伝送方法、送信機および受信機に関するものであり、データセンタ等における短距離通信に適用することができる。
【符号の説明】
【0091】
１０ 光伝送システム
１０１ 送信機
１０２ 受信機
１０３ 駆動装置
１０４ レーザアレイ
１０５ 通信路
１０６ フォトディテクタアレイ
１０７ ＡＤ変換器
１０８ ＭＩＭＯ等化器
１０１ 送信機
１０２ 受信機
１０３ 駆動装置
１０４ レーザアレイ
１０５ 通信路
１０６ フォトディテクタアレイ
１０７ ＡＤ変換器
１０８ ＭＩＭＯ等化器
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【国際調査報告】