(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動光信号送信システムにおいて、
少なくとも１つの光入力ポートと複数の光出力ポートを有する光変調デバイスであって、入力パワーを有する光入力信号は、前記少なくとも１つの光入力ポートで受信され、前記光変調デバイスは、前記光入力信号を前記複数の光出力ポートから送信され且つ各々が出力パワーを有する複数の相補変調光信号に変換し、前記複数の相補変調光信号の各々の出力パワーの合計が前記光変調デバイスの前記少なくとも１つの光入力ポートによって受信された前記光入力信号の前記入力パワーと実質的に等しいものである光変調デバイス、
前記光変調デバイスの前記複数の光出力ポートに光結合されたマルチコア光導波路であって、前記マルチコア光導波路は、被覆材内に配置された複数のコアを備え、前記複数のコア、前記被覆材、又は前記複数のコアと前記被覆材の両者は、前記複数のコア間での光エネルギーの交換を軽減するように構成されるものであるマルチコア光導波路、および
複数の光検出器を備える平衡光受信器であって、前記平衡光受信器は、前記マルチコア光導波路の前記複数のコアに通信可能に結合され、前記複数の光検出器の各々は、前記複数の相補変調光信号の少なくとも１つを電気信号に変換し、前記平衡光受信器の前記複数の光検出器の前記電気信号は、組み合わされてパルス振幅変調信号を形成するものである平衡光受信器、
を備えたシステム。
【請求項２】
前記光変調デバイスは、
（ｉ）１つの光入力ポートと、２つの相補変調光信号を出力する２つの光出力ポートとを備えるタイプの、マッハ・ツェンダー変調器である；又は
（ｉｉ）並列に配置される複数のマッハ・ツェンダー変調器を備え、前記複数のマッハ・ツェンダー変調器の各々が、前記複数の相補変調光信号のうちの一対を送信するものであり、１つの光入力ポートと、２つの相補変調光信号を出力する２つの光出力ポートとを備えるタイプのマッハ・ツェンダー変調器である；又は
（ｉｉｉ）入れ子の光変調器を有するマッハ・ツェンダー干渉計から形成される；又は
（ｉｖ）スイッチファブリックから形成される、且つ、好ましくは、前記スイッチファブリックは、（ａ）縦列配置の複数のＹ−ブランチスイッチを備える、ならびに／もしくは（ｂ）ＬｉＮｂＯ３よりなる材料に形成される請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
（ｉ）前記マルチコア光導波路の前記複数のコアの各々は、整合有効屈折率を有する；及び／又は
（ｉｉ）前記複数のコアは、ドーパントでドープされたシリカ系ガラスよりなり、且つ前記ドーパントは、好ましくは、Ｂ、Ｆ、ＧｅＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５又はそれらの組合せであり；及び／又は
（ｉｉｉ）前記マルチコア光導波路の前記複数のコアは、相対的に小さな直径を有する第１のコアと相対的に大きな直径を有する第２のコアを備え、前記第１のコアは、前記第２のコアに隣接するコアである；及び／又は
（ｉｖ）前記マルチコア光導波路の前記複数のコアの各々は、ステップ屈折率コアである；及び／又は
（ｖ）前記マルチコア光導波路の前記複数のコアの各々は、クロストーク障壁リングによって実質的に囲まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記マルチコア光導波路の前記複数のコアの各々は、クロストーク障壁リングによって実質的に囲まれ、前記クロストーク障壁リングは、前記被覆材に屈折率不連続を引き起こす材料から形成され、好ましくは、前記クロストーク障壁リングは、散乱材、吸収材、又はそれらの組合せから形成される請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
（ｉ）前記マルチコア光導波路の前記複数のコアの内の二つ以上のコアは、一つのクロストーク障壁リングによって実質的に囲まれる；及び／又は
（ｉｉ）光隔離領域が、前記マルチコア光導波路の前記複数のコアの内の二つのコア間に配置される；及び／又は
（ｉｉｉ）前記マルチコア光導波路の前記複数のコアは、相対的に小さな直径を有する第１のコアと相対的に大きな直径を有する第２のコアを備え；前記第１のコアは、前記第２のコアに隣接するコアであり；前記マルチコア光導波路の前記第１のコアと前記第２のコアは、クロストーク障壁リングによって実質的に囲まれる；且つ、光隔離領域が、前記マルチコア光導波路の前記第１のコアと前記第２のコアとの間に配置される請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連技術の相互参照】
【０００１】
本願は、２０１２年５月１２日に出願された米国仮特許出願第６１／６５１５９９号の優先権に利益を享受し、その内容に基づいており、その全体の参照によってここに組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本願は、差動光信号送信システムに関し、より具体的には、多進変調フォーマットの差動光信号送信システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
短距離高速光相互接続は、種々の高性能コンピュータ及びデータセンターアプリケーションのために利用することができる。オンオフキーイングで動作するレーザ／外部変調器リンクのような多くの光相互接続において、レーザによって発生される光出力の約半分は、使用されない。具体的には、外部変調器リンクは、一般的にオフ状態中レーザパワーを抑制する。更に、オンオフキーイング変調が受信されると、最適決定閾値は、受信された光電力に対して浮動できる、即ち、光出力が高くなればなる程、閾値が高くなる。従って、最適決定閾値は、１及び０の状態において、光信号パワーやノイズ変動に順応する。
【０００４】
光差動信号送信は、一般的に複数の別々の送信チャネル上の２つ以上の相補信号の送信を含む。相補信号は、受信されると組み合わされてそれらの信号中に符号化されたデータを抽出する。光差動信号送信は、整合群遅延と再生の損失のために光ファイバ送信システムで実施するのが困難である。単一のファイバにおける波長分割多重化は、２つの離散ファイバを使用する時に、整合光ファイバ遅延に関連する困難を克服するために使用することができる。しかしながら、単一の変調器でそのような変調信号を発生することは困難である。更に、リンクの波長分散は、波長分割多重化において整合されなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、差動光信号送信のための他のシステムの必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態によれば、光信号を送信するためのシステムは、光変調デバイス、マルチコア光導波路、及び平衡光受信器を含むことができる。光変調デバイスは、少なくとも１つの光入力ポートと複数の光出力ポートを含むことができる。入力パワーを有する光入力信号は、前記少なくとも１つの光入力ポートで受信することができる。光変調デバイスは、光入力信号を複数の光出力ポートから送信され、各々が出力パワーを有する複数の相補変調光信号へ変換できる。複数の相補変調光信号の出力パワーの合計は、前記光変調デバイスの前記少なくとも１つの光入力ポートによって受信された光入力信号の入力パワーに実質的に等しい。マルチコア光導波路は、前記光変調デバイスの前記複数の光出力ポートへ光結合することができる。マルチコア光導波路は、被覆材内に配置される複数のコアを含むことができる。複数のコア、被覆材、又は両者は、複数のコア同士間で光エネルギーの交換を軽減するように構成することができる。前記平衡光受信器は、複数の光検出器を含むことができる。前記平衡光受信器は、マルチコア光導波路の複数のコアへ通信可能に結合することができる。前記複数の光検出器の各々は、前記複数の相補変調光信号の少なくとも１つを電気信号へ変換できる。前記平衡光受信器の前記複数の光検出器の電気信号は、組み合わされてパルス幅変調信号を形成する。
【０００７】
本発明の更なる特徴と利点は、以下の詳細な説明に述べられ、且つ部分的にその記述から当業者には容易に明らかになり又は以下の詳細な記述、特許請求の範囲並びに添付の図面を含む以下に記述の実施形態を実施することによって認識される。
【０００８】
前述の一般的な記述と以下の詳細な記述の両方は、種々の実施形態を記述しており、請求項の主題の特質及び特徴を理解するための概略や構成を提供することを意図していることに留意すべきである。添付の図面は、種々の実施形態の更なる理解を提供するために含まれ、本明細書の一部に組み込まれると共にそれを構成する。図面は、ここで記述される種々の実施形態を描いており、この記述と共に、請求項の手段の原理と動作を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係る差動信号送信システムを概略的に示す。
【図２】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係る差動信号送信システムを概略的に示す。
【図３】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係るマルチコア光導波路を概略的に示す。
【図４】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係るマルチコア光導波路を概略的に示す。
【図５】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係る屈折率コントラスト対コア直径を概略的に示す。
【図６Ａ】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係るマルチコア光導波路を概略的に示す。
【図６Ｂ】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係るマルチコア光導波路を概略的に示す。
【図６Ｃ】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係るマルチコア光導波路を概略的に示す。
【図７】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係るマルチコア光導波路を概略的に示す。
【図８】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係るゼロ状態回りに対称的に変調されるＱＰＡＭ信号を概略的に示す。
【図９】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係る差動信号送信システムを概略的に示す。
【図１０】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係る差動信号送信システムを概略的に示す。
【図１１】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係る差動信号送信システムを概略的に示す。
【図１２】ここに示され且つ記述される一つ以上の実施形態に係る光エネルギー／ｂペナルティ対振幅レベルを図形的に描く。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の実施形態、添付の図面に概略的に描かれている本開示の実施例が詳細に参照される。可能な限り、同じ参照番号は、同じ又は同様な部品を参照するために図面全体を通して使用される。差動光信号送信システムの一実施形態が、図１に示され、全体を通して概略的に参照番号１０によって指定される。
【００１１】
本開示全体を通して、用語“光（ｌｉｇｈｔ）”が参照される。ここで使用される用語“光（ｌｉｇｈｔ）”と“光又は光学（ｏｐｔｉｃａｌ）”は、紫外線（ＵＶ）、赤外線（ＩＲ）、及び電磁スペクトルの可視部分における波長を含むがこれらに制限されない、電磁スペクトルに関連する種々の波長を含む放射を指す。
【００１２】
ここで図１を参照すると、差動信号送信システム１０は、光入力信号１００を複数の相補変調光信号１０２へ変換する光変調デバイス２０を含む。光変調デバイス２０は、光変調デバイス２０の一つ以上の出力信号が同時に一つ以上の相補出力信号を有するように構成することができる。幾つかの実施形態では、光変調デバイス２０は、相補変調光信号１０２のパワーの合計が光変調デバイス２０によって受信された光入力信号１００のパワーに実質的に等しい（入出力結合損失、伝搬損失等を無視する）ように光入力信号１００の振幅を変調できる。具体的には、時間経過に従って光変調デバイス２０によって受信される入射光信号（単数又は複数）の実質的に全ては、引き続いて、光変調デバイス２０によって送信される一つ以上の出力光信号へ変換される。時間周期の各々は、略実質的に瞬時から複数の入力又は出力周期までの任意の時間周期である。用語“信号（ｓｉｇｎａｌ）”は、ＤＣ、ＡＣ、正弦波、三角波、矩形波、振動等の媒体を通して移動できる任意の波形を意味する。
【００１３】
幾つかの実施形態では、光変調デバイス２０は、光入力信号１００の複数の相補変調光信号１０２への変換を制御するために利用することができる変調信号１０４を受信するように構成することができる。例えば、光変調デバイス２０が電気光学変調器である場合、変調信号は、電気データ信号であり、且つ光入力信号は、電気データ信号に従って変調することができる。
【００１４】
ここで図２を参照すると、一実施形態において、差動信号送信システム１１０は、マッハ・ツェンダー変調器（ＭＺＭ）から形成された光変調デバイス１２０を備えることができる。この光変調デバイス１２０は、光信号を受信するための光入力ポート１２２を備えることができる。この光入力ポート１２２は、光入力ポート１２２を第１の光出力ポート１２８へ光結合する第１の光パス１２４と、光入力ポート１２２を第２の光出力ポート１３０へ光結合する第２の光パス１２６へ分割することができる。光変調デバイス１２０は、更に、第１の光パス１２４と第２の光パス１２６を横切る光信号同士間の位相差を制御するために利用することができる第１の電極１３２、第２の電極１３４及び第３の電極１３６を含むことができる。
【００１５】
加えて又はそれとは別に、ここで記述される光変調デバイスは、変調器に入射する光電力の実質的に全てが送信されるように電力を有する光信号を出力する、例えば、リチウムニオブ電気光学又はシリコン無添加キャリアマイクロリング共振器（ＭＲＲ）又はマッハ・ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）、又は任意の他の電気光学増幅変調器のような任意の光変調器を含むことができる。具体的な例は、一方のポートに存在しない場合、光信号が自動的に他方のポートに存在するようにデュアル出力ポートを有する従来の光変調器を含む。幾つかの実施形態は、しばしば局所的に変調器をバイアスすること専用である第２のポートが代わりに光出力として利用されるように二つの出力ポートを有するＭＺＩ又はＭＲＲ変調器を利用することができる。ここで記述される実施形態は、電気光学増幅変調器を含み、ここで記述される実施形態は、光信号のパラメータを変調して相補光信号を出力する、振幅変調器、位相変調器、偏光変調器、周波数変調器等のような任意のタイプの変調器を利用できることに留意すべきである。更に、適切な光変調器は、電気光学変調器、音響光学変調器、磁気光学変調器、機械光学変調器、熱光学変調器、又はそれらの組合せを含むが、これらに制限されない。
【００１６】
再び、図１を参照すると、差動信号送信システム１０は、複数の相補変調光信号１０２を送信するために光変調デバイス２０に光結合されたマルチコア光導波路４０を含むことができる。マルチコア光導波路４０の各コアは、単一モード光導波路、２乃至３モード光導波路、又はマルチモード光導波路と類似の方法で機能するように構成することができる。ここで使用される用語“光結合された（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ）”は、コンポーネント（複数）が、例えば、空気を介する電磁信号、光導波路を介する光信号、光結合器を介する光信号のように一つ以上の中間媒体を介して互いに光同士を交換することができることを意味することに留意すべきである。更に、ここで記述される実施形態は、光導波路に限定される必要はないことに留意すべきである。具体的には、光変調デバイス２０は、一つ以上の自由空間リンクを介して平衡光受信器へ結合することができる。
【００１７】
マルチコア光導波路４０は、例えば、シリカファイバのような、光を透過する任意の材料から成ることができる。マルチコア光導波路４０は、各コアが同じ群遅延を有するように構成することができる。具体的には、光変調デバイス２０へ光結合されるマルチコア光導波路４０の各コアは、複数の相補変調光信号１０２が実質的の同時に目標に達する（例えば、一ビット又はシンボル周期よりかなり短い相対遅延で）ように複数の相補変調光信号１０２をその目標に送信できる。幾つかの実施形態では、マルチコア光導波路４０の各コアは、相対遅延を減少するために同じ被覆材に同時に製作することができる。
【００１８】
ここで図３を参照すると、一実施形態において、マルチコア光導波路１４０は、シリカ系ガラスから形成され、且つシリカ系ガラスから形成される被覆材１５２によって囲まれる第１のコア１４２、第２のコア１４４、第３のコア１４６、第４のコア１４８及び第５のコア１５０を備えることができる。第１のコア１４２、第２のコア１４４、第３のコア１４６、第４のコア１４８及び第５のコア１５０は、単一平面に互いに平行に配向され、共に隣接するコア同士間でのクロストークが比較的に低いように離間される。被覆材１５２は、横断面が実質的に矩形である。また、横断面が実質的に矩形である光ファイバリボンは、マルチコア光導波路１４０から形成することができる。
【００１９】
複数のコア１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、被覆材１５２、又は両者は、複数のコア１４２、１４４、１４６、１４８、１５０間の光エネルギーの交換を軽減するように構成することができる。例えば、一実施形態では、複数のコア１４２、１４４、１４６、１４８、１５０及び被覆材１５２の各々の有効屈折率は、群遅延に整合し、同時にクロストークを減少するように調整することができる。例えば、複数のコア１４２、１４４、１４６、１４８、１５０及び被覆材１５２は、各々、制限しないが、Ｂ、Ｆ、ＧｅＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５及び／又はＴａ２Ｏ５を含むシリカ系ガラスドーパントを含むことができる。このようなドーパントは、望ましい屈折率を得るために、複数のコア１４２、１４４、１４６、１４８、１５０に個別に或いは組合せで結合される。
【００２０】
複数のコア１４２、１４４、１４６、１４８、１５０の各々は、外側コア部１５６によって囲まれる中央コア部１５４を含むことができる。一実施形態では、中央コア部１５４は、屈折率ｎｃｅｎｔｅｒを有することができ、また、外側コア部１５６は、屈折率ｎｏｕｔｅｒを有することができる。外側コア部１５６の屈折率ｎｏｕｔｅｒは、中央コア１５４の屈折率ｎｃｅｎｔｅｒ以下であることができる、即ち、複数のコア１４２、１４４、１４６、１４８、１５０の各々は、ステップ屈折率コアである。複数のコア１４２、１４４、１４６、１４８、１５０の各々の屈折率コントラストは、
【００２１】
【数１】
0006257098.tif 000002
【００２２】
によって決定することができる。
クロストークを減少するために、屈折率コントラストは、例えば、一実施形態では、約１５０％まで、他の実施形態では約２００％まで、更なる実施形態では２６０％までのような約１００％を超える値に設定することができる。
【００２３】
ここで図４を参照すると、マルチコア光導波路２４０は、様々なコア直径を有する第１のコア２４２、第２のコア２４４、第３のコア２４６、第４のコア２４８及び第５のコア２５０を備えることができる。例えば、コア直径は、隣接するコア同士間で異なることができる。一実施形態では、第１のコア２４２、第３のコア２４６、及び第５のコア２５０は、各々第１のコア直径Ｄ１を有することができ、第２のコア２４４及び第４のコア２４８は、各々第２のコア直径を有することができる。クロストークは、第１のコア直径Ｄ１が第２のコア直径Ｄ２よりも小さい時に軽減することができる。相対的に大きな直径を有するコアに沿って伝搬する光信号は、相対的に小さな直径を有するコアに沿って伝搬する光信号に比較して、相対遅延が増加し得る。遅延における不整合を補償し且つ減少するために、図４に描かれた実施形態に対しては、第２のコア２４４と第４のコア２４８の屈折率コントラストは、第１のコア２４２、第３のコア２４６、及び第５のコア２５０の屈折率コントラストに対して減少することができる。例えば、屈折率増加ドーパントレベルと屈折率減少ドーパントレベルは、複数のコア１４２、１４４、１４６、１４８、１５０の何れかに対して中央コア部１５４及び／又は外側コア部１５６において調整することができる。
【００２４】
図４に描かれる実施形態は、第１のコア２４２、第２のコア２４４、第３のコア２４６、第４のコア２４８及び第５のコア２５０を備えるが、ここで記述される実施形態は、任意の数のコアを含むことができることは、留意されるべきである。従って、ここで記述される実施形態は、実質的に等しい遅延を達成するように構成される任意の数の種々の直径のステップ屈折率コアを含むことができる。具体的には、各コアは、整合有効屈折率を有するように構成される。有効屈折率は、以下の式（２）で与えられるコアにおける基本モード（ＬＰ０１）の正規化伝搬定数に対する弱導波モード近似を使用して決定することができる。
【００２５】
【数２】
0006257098.tif 000003
【００２６】
ここで、Ｖは、以下の式（３）で与えられる正規化周波数である。
【００２７】
【数３】
0006257098.tif 000004
【００２８】
ここで、ｎｃｅｎｔｒａｌとｎｏｕｔｅｒは、コアの内側部分及びコアの外側部分の屈折率であり、ｋは真空中で測定された波数であり、ａはコア半径である。
【００２９】
ここで、図５を参照すると、単一モードファイバプロファイル設計の複数の集合は、屈折率コントラスト（中央コア部と外側コア部との間の屈折率の差の二乗平均平方根によって表される）及び弱導波近似におけるコア直径によって特徴付けられる。曲線６２は、約２．３５の正規化周波数Ｖと約１．４４の屈折率ｎｏｕｔｅｒを有する整合遅延に対する一組の解を表す。曲線６４は、約２．３０の正規化周波数Ｖと約１．４６の屈折率ｎｏｕｔｅｒを有する整合遅延に対する一解集合を表す。曲線６６は、約２．２５の正規化周波数Ｖと約１．４５の屈折率ｎｏｕｔｅｒを有する整合遅延に対する一解集合を表す。曲線６２、曲線６４及び曲線６６の各々は、固定Ｖ数を有する一解集合であるので、曲線６２、曲線６４及び曲線６６の各々は、実質的に同じ伝搬定数、そのモードに対する実質的に同じ有効屈折率、従って、相対遅延を最小にできる経過遅延の実質的整合時を示す解を表す。２．４０５未満のＶ数は、一般的に単一モード動作に対応するが、ここで記述された実施形態は、より高い次数のモードで動作するコアを利用することができることに留意すべきである。更により高い次数のモードに対する伝搬遅延は、ここで先に述べられた基本モードと整合する幾つかのモード結合群であることができる。
【００３０】
図６Ａ乃至図６Ｃを集合的に参照すると、ここで述べられる実施形態は、例えば、実質的に一定の屈折率を有する又はステップ屈折率コア（例えば、複数のコア１４２、１４４、１４６、１４８、１５０（図３））に比較して相対的に徐々に変化する屈折率を有するような実質的に等方性のコア３４２を含む。例えば、クロストーク障壁は、実質的に等方性のコア３４２の各々から出る光を吸収する、散乱する又は隔離するために実質的に等方性のコア３４２の二つ以上の近接離間されたコア間に配置することができる。
【００３１】
図６Ａを参照すると、一実施形態では、マルチコア光導波路３４０内の実質的に等方性のコアの各々は、クロストーク障壁リング１５８によって少なくとも部分的に囲まれることができる。具体的に、クロストーク障壁リンク１５８は、実質的に円形横断面を有することができる。更なる実施形態では、クロストーク障壁リンク１５８は、例えば、実質的に多角形状の、又は包囲された不定形の境界のような、隣接するコア間の光エネルギーの交換を軽減するのに適する任意の横断面を有することができる。クロストーク障壁リンク１５８は、被覆材１５２の屈折率に不連続性を引き起こす任意の材料から形成することができる。不連続性を引き起こす適切な材料は、散乱体（例えば、空気孔、ガス孔、ナノ泡、又はマイクロ泡等）、吸収材料（例えば、ドーパント、顔料、色中心、半導体マイクロ結晶、半導体ナノ結晶、アセチレンガス、又はエルビウムガス等）、光反射面（例えば、共振防止光導波路（ＡＲＲＯＷ）、導波路、屈折率変化のためのドープ領域モート、フッ素ドープエリア、実質的全内反射のためのエアポケット、又は全内反射のためのエアチャネル等）、光バンドギャップ、及びそれらの組合せを含む。図６Ｂに描かれる他の実施形態において、マルチコア光導波路４４０は、複数の実質的の等方性のコア３４２を囲むように構成されるクロストーク障壁リング２５８を備えることができる。クロストーク障壁リング１５８とクロストーク障壁リング２５８は、図６Ａ、図６Ｂ及び図７に鎖線で概略的に描かれているが、クロストーク障壁リング１５８とクロストーク障壁リング２５８は、一般的には有限の厚みを有するように形成されることに留意すべきである。理論に束縛されるものではないが、クロストーク障壁リング１５８やクロストーク障壁リング２５８の厚みが増加すると、クロストーク軽減の効果が向上するが、導波路密度が損なわれ得ると考えられる。従って、適切な厚みは、好ましくは、約１ナノメートルから約２マイクロメートルまでの範囲である。更に、図６Ａに描かれているクロストーク障壁リング１５８の構造は、それが対称性に起因する追加の利益を提供するので、クロストーク軽減のために好適である。
【００３２】
図６Ｃを参照すると、マルチコア光導波路５４０は、一つ以上の光隔離領域３５８を備えることができる。光隔離領域３５８は、被覆材１５２の屈折率に不連続性を引き起こす被覆材１５２内の任意の離散的領域であることができる。一実施形態では、光隔離領域３５８は、実質的に矩形状であり、隣接するコアの直径以上である長さＤ３を有することができる。隣接するコアの直径と実質的に等しい長さＤ３を有することは、隣接するコアの直径よりも実質的に大きな又は実質的に小さな長さＤ３を有する実施形態よりも、製造することにおいて改善をもたらすと考えられる。コアがより高い屈折率コントラストを有するように設計される実施形態において、長さＤ３は、クロストーク軽減にほんの僅かな悪影響を及ぼす隣接するコアの直径よりも小さくてもよい。光隔離領域３５８は、上述の吸収材料又は光反射面の任意のものから形成することができる。例えば、図６Ｃに描かれている実施形態において、光隔離領域３５８は、例えば、屈折率トレンチ、エアギャップ、又はガスギャップのような光反射面から形成されてもよい。
【００３３】
ここで図７を参照すると、被覆材１５２の屈折率における不連続性を介して形成されるクロストーク障壁のいずれもがコア材料の何れかのタイプと共に利用することができることに留意すべきである。一実施形態では、マルチコア光導波路６４０は、図４を参照して上述されたように、第１のコア２４２、第２のコア２４４、第３のコア２４６、第４のコア２４８及び第５のコア２５０を含むことができる。第１のコア２４２、第２のコア２４４、第３のコア２４６、第４のコア２４８及び第５のコア２５０の各々は、クロストーク障壁リング１５８によって実質的に囲まれることができる。マルチコア光導波路６４０は、更に、第１のコア２４２、第２のコア２４４、第３のコア２４６、第４のコア２４８及び第５のコア２５０の各々間に配される光隔離領域３５８を備えることができる。
【００３４】
図１を再び参照すると、差動光信号送信システム１０は、マルチコア光導波路４０に光結合される平衡光受信器６０を備えることができる。平衡光受信器６０は、二つ以上の名目上等しい光検出器で二つ以上の光信号を受信するように構成される。整合光検出器は、一般的に、結合損失、コンプレックスインピーダンス（即ち、容量及びインダクタンス）、信号利得、ＲＦ振幅、位相周波数応答、応答速度、感度、応答度、暗電流、又はそれらの組合せのような実質的に類似の検出パラメータのための設計を有する。理論に束縛されることなく、整合光検出器は、向上された検知感度を提供すると考えられる。整合光検出器の各々は、光を検出し、その検出された光を検出された光の特性（例えば、光電力）を示す信号へ変換するように構成される任意のデバイスを備えることができる。
【００３５】
従って、平衡光受信器６０は、例えば、光ダイオード、光抵抗器、又は光トランジスタ等のような一つ以上の光検出器を含むことができる。平衡光受信器６０は、振幅変調信号と共に使用されるためにここでは記述されているが、平衡光受信器６０は、位相変調相補信号、周波数又は波長変調相補信号を検出するように、又は異なる空間モードでの検出のために構成することができる。例えば、平衡光受信器６０は、位相変調相補信号を検出するために光検出器とマルチコア光導波路４０との間に配置される複数の位相感知弁別器（例えば、ＭＺＩ）を含むことができる。加えて、平衡光受信器６０は、周波数又は波長変調相補信号を検出するためにマルチポートバンドエッジフィルタを含むことができる。更に、空間変調に対しては、平衡光受信器６０は、ファイバ導波路が光源の円形対称及びモード特性を有する否かよって、同軸環状領域又は他の空間的プロファイルのような光検出領域に配置される光検出器を含むことができる。
【００３６】
図２を再び参照すると、差動光信号送信システム１１０の実施形態が概略的に描かれている。このシステム１１０は、光変調デバイス１２０の光入力ポート１２２に光結合される連続波光源１１２（例えば、連続波半導体レーザ等）を任意ではあるが備えることができる。システム１１０は、更に、光変調デバイス１２０の第１の電極１３２に通信可能に結合される光信号発生器１１４を備え、光変調デバイスの第２の電極１３４と第３の電極１３６は、電気接地に通信可能に結合される。第１の光出力ポート１２８、第２の光出力ポート１３０、又は両者は、電気信号発生器１１４によって送信される電気信号によって起動することができる。第１の光出力ポート１２８と第２の光出力ポート１３０は、マルチコア光導波路４０を介して平衡光受信器１６０に光結合することができる。或いは、第１の光出力ポート１２８と第２の光出力ポート１３０は、実質的に同じ長さを有する二つの個別のファイバ（例えば、単一モードファイバ、マルチモードファイバ、又は２乃至３モードファイバ）を介して平衡光受信器１６０へ光結合することができ、これら二つのファイバ間の差動群遅延は、光信号の約一周期未満である。
【００３７】
図２に描かれる実施形態において、平衡光受信器１６０は、二つの整合光受信器１６２を備えることができる。整合光受信器１６２の電気出力は、例えば、差動増幅器のような電気信号結合器１６４に通信可能に結合することができる。電気信号結合器１６４は、ローパスフィルタ等のようなフィルタデバイス１６６に通信可能に結合することができる。フィルタデバイス１６６は、クリップ回路１６８や受信記号に対する決定を行うために受信信号をゼロ電流閾値に対して比較する比較器回路に通信可能に結合することができる。クリップ回路や比較器回路は、例えば、スライサ、振幅セレクタ又はリミッターのような、受信信号から望ましい部分の幾つかの部分を除去するように構成される任意の電気デバイスであり得る。受信器決定の性能は、入力差動信号の振幅、位相及びノイズ特性が実質的に整合される時に最大化される。入力差動信号の振幅、位相及びノイズ特性が不整合である場合、次に、最適振幅決定閾値と決定位相点は、ゼロ電流状態から離れるように動くことができ、また、時間的に僅かに動くことができる。従って、閾値（振幅又は位相のいずれか）に対する調整は、物理的ハードウエア実施における欠陥を補うために実施することができる。
【００３８】
システム１１０は、多進（Ｍ−ａｒｙ）（即ち、二進、四進、又は任意の他の２ｋレベル信号）差動光信号送信のために構成することができる。一実施形態では、システム１１０は、パルス振幅変調（ＰＡＭ）のために構成することができる。ＰＡＭは、線形変調スキームであり、それによって、情報は、キャリア信号の振幅の離散的変化へ符号化することができる。多進ＰＡＭ信号波形の時間ドメイン表示は、以下の式（４）で与えることができる。
【００３９】
【数４】
0006257098.tif 000005
【００４０】
ここで、
0006257098.tif 000006
は、実数部を指し、ωｓはキャリア角周波数、Ｔはシンボル周期であり、ｇ（ｔ）はシンボル位相形状であり、Ａｍは、以下の集合（５）から離散値を取る信号振幅である。
【００４１】
【数５】
0006257098.tif 000007
【００４２】
ここで、２ｄは隣接する信号振幅同士間の距離である。
【００４３】
ここで、図８を参照すると、矩形非ゼロ復帰パルスに対するベースバンド（ωｓ＝０）四進ＰＡＭ（ＱＰＡＭ）が図形的に描かれている。ＱＰＡＭ信号６８は、連続するシンボル周期で値｛−３，−３，１，−３，−１，１，−１，−１，３，１，１，３，３，―１，−３，３｝を取る振幅を有する。
【００４４】
幾つかの実施形態において、ベースバンドＱＰＡＭ信号は、以下の式（６）で与えられるように、ビット周期Ｔと係数比２：１を有する二つの同期二進波形ν１（ｔ）とν２（ｔ）の線形重畳によって発生させることができる。
【００４５】
【数６】
0006257098.tif 000008
【００４６】
ここで、二進波形振幅αｋとβｋは、集合｛±１｝から離散的値を取ることによって定義される。上記例は、明瞭化のために特定の係数比を記述しているが、ここで記述される実施形態は、いずれかの特定の係数比に制限されない。
【００４７】
図２に戻って、上記からわかるように、光変調デバイス１２０は、電気光学材料に形成されるＭＺＭである。典型的なＭＺＭにおいて、入力ポートは、異なる有効長の光パスへ光結合することができる。入力信号は、分割されて光パスの各々へ送信される。分割された信号は、出力で再び組み合わせることができる。光信号の二つの位相シフトされたバージョンの重畳によって、デバイス出力ポートの各々に干渉が生成される。この干渉は、二つの隣接するビットが建設的に互いに干渉する場合、出力ポートでパワーの存在に繋がり得る。反対に、干渉は、二つの隣接するビットが破壊的に互いに干渉する場合、出力ポートでパワーの不在に繋がり得る。ＭＺＭは、相補出力信号を送信するための二つの出力ポートを有することができる、即ち、エネルギー保存に起因して、出力ポートの一方において破壊的干渉がある場合、他方の出力ポートには建設的な干渉がある。
【００４８】
明瞭化のため及びここで記述される実施形態を数学理論に制限することなく、ＬｉＮｂО３に形成される電気光学ＭＺＭに対する数学モデルが以下に提供される。連続波光源１１２は、光信号を光変調デバイスの光入力ポート１２２へ送信することができる。光入力ポート１２２での光信号の電界は、以下の式（７）によって与えることができる。
【００４９】
【数７】
0006257098.tif 000009
【００５０】
ここで、Ｅ０は、電界振幅であり、ωｓは、キャリア角周波数である。
【００５１】
次に、光信号は、第１の光パス１２４と第２の光パス１２６を横切る二つの等しい部分へ分割することができる。二つの信号部分は、差動位相遅延φ（ｔ）を受け得る。この差動位相遅延は、伝搬ψ０に起因する位相シフトとバイアス電圧Ｖ（ｔ）の印加（第１の電極１３２へ印加される）に起因する電圧依存屈折率（ポッケルス効果）に依存する位相シフトの合計として表することができる。この差動位相遅延は、以下の式（８）によって与えられる。
【００５２】
【数８】
0006257098.tif 000010
【００５３】
ここで、伝搬に起因する位相シフトは、以下の式（９）によって与えられる。
【００５４】
【数９】
0006257098.tif 000011
【００５５】
電圧依存屈折率に起因する位相シフトは、電圧比Ｖ（ｔ）／Ｖπによって特徴付けられ、ここで、Ｖπは、以下の式（１０）によって与えられる。
【００５６】
【数１０】
0006257098.tif 000012
【００５７】
ここで、λ０は、入力光ビームの自由空間波長であり、Ｌは、デバイスの長さ、ｄは、電極同士間の距離、ｎは、電圧が無い場合の有効屈折率、及びγは、ポッケルス電気光学係数である。定数Ｖπは、半波電圧と一般的に呼ばれる。
【００５８】
ＭＺＭにおける伝搬損失を無視すると、第１の光出力ポート１２８と第２の光出力ポート１３０での電界は、以下の式（１１）によって与えられる。
【００５９】
【数１１】
0006257098.tif 000013
【００６０】
平衡光受信器１６０の整合光検出器１６２が理想的な四進検出器であると仮定する。平衡光検出器１６０によって検出される瞬時の光電力は、以下の式（１２）によって与えられる。
【００６１】
【数１２】
0006257098.tif 000014
【００６２】
ここで、Ｐｉｎは、光変調デバイスの光入力ポート１２２での光信号の平均パワーである。
【００６３】
整合光検出器１６２は、同等の応答度Ｒを有すると仮定することができる。光ダイオードが背中合わせに接続されているので、平衡光検出器１６０の出力での全光電流は、以下の式（１３）によって与えることができる。
【００６４】
【数１３】
0006257098.tif 000015
【００６５】
差動光信号送信システム１１０は、二進ＰＡＭ（ＢＰＡＭ）光信号を発生するために利用することができる。伝搬に起因する位相シフトが
【００６６】
【数１４】
0006257098.tif 000016
【００６７】
であると仮定することができる。
光変調デバイス１２０を制御するバイアス電圧Ｖ（ｔ）は、以下の式（１５）によって与えられる二進波形であり得る。
【００６８】
【数１５】
0006257098.tif 000017
【００６９】
ここで、二進波形振幅ακは、集合｛±１｝から離散値を取る。式（１５）の右手側の定数項は、ＤＣバイアスと呼ばれ、式（１５）の右手側の経時変化項は、ＲＦバイアスと呼ばれる。
【００７０】
差動光信号送信システム１１０は、ＱＰＡＭ光信号を発生するために利用することができる。伝搬に起因する位相シフトに関して、式（１４）において上で表現されたのと同じ仮定が行われ得る。ＱＰＡＭに対して、バイアス電圧Ｖ（ｔ）は、式（１６）によって与えられるビット周期Ｔと係数比Ａ：Ｂを有する同期二進波形の線形重畳として表現される四進波形であることができる。
【００７１】
【数１６】
0006257098.tif 000018
【００７２】
幾つかの実施形態で、ＭＺＭ変換機能の非線形化を補償するために、二進電圧波形の重畳に対する係数比Ａ：Ｂは、平衡光受信器１６０の出力で４つの等距離電流レベルを発生することが望ましい場合、２：１であってならない。従って、電気信号発生器１１４による出力される電気信号におけるプリエンファシスは、４つの非等距離電圧レベルを有する電気ドライバベースバンドＱＰＡＭ信号を発生するのに使用することができる。光変調デバイスがＭＺＭから形成されると、四進波形の最大ピークピーク値電圧振幅は、ＭＺＭの半波電圧の約二倍であるべきである。
【００７３】
電圧波形の重畳に対する係数比Ａ：Ｂを計算するために、平衡光受信器１６０の出力で全光電流が次の式（１７）の集合からの離散的値を取る。
【００７４】
【数１７】
0006257098.tif 000019
【００７５】
従って、式（１３）から
【００７６】
【数１８】
0006257098.tif 000020
【００７７】
が得られる。
この三角法による式の逆数を求めると
【００７８】
【数１９】
0006257098.tif 000021
【００７９】
となる。
置換により、係数ＡとＢは、以下の式を満たさなければならない。
【００８０】
【数２０】
0006257098.tif 000022
【００８１】
式の組（２０）の最初の二つの式又は最後の二つの式の何れかのシステムの解は、Ａ＝０．６０８１７３とＢ＝０．３９１８２７となる。従って、係数ＡとＢは、ＱＰＡＭ信号送信のための導出値と略等しく設定することができる。
【００８２】
ここで図９を参照すると、差動光信号送信システム２１０は、Ｍ−ＰＡＭ光信号、即ち、２ｍレベルを有する信号を発生するために利用することができる。システム２１０は、送信器でのマルチレベル電子波長の発生を回避するためにｍ個の光変調デバイス１２０とｍ個の平衡光受信器１６０のアレイを含むことができる。光変調デバイス１２０と平衡光受信器１６０の各々が図９にｍ個の異なるマルチコア光導波路４０によって光結合されるように描かれているが、光変調デバイス１２０と平衡光受信器１６０は、一つ以上のマルチコア光導波路４０を介して結合することができることに留意すべきである。
【００８３】
一実施形態では、システム２１０は、並列のｍ個の同一ブランチを含むことができる。ブランチの各々は、図２を参照して上記したように、独立のＢＰＡＭ光信号を発生するように構成することができる。具体的には、各ブランチ２１２において、連続波光源１１２は、光変調デバイス１２０に光結合することができる。一つの時間間隔で、
【００８４】
【数２１】
0006257098.tif 000023
【００８５】
のビットに対応する独立のビットシーケンスが各ブランチ２１２の平衡光検出器１６０で検出することができる。これらのビットは、多進シンボルｃκ＝（ｂ１．．．ｂｍ）２の基数２表示として考えられる。マッハ・ツェンダー変調器を駆動する対応バイアス電圧Ｖｌ（ｔ），ｌ＝１，．．．，ｍは、式（１５）と同じ形を有する。
【００８６】
ここで図１０を参照すると、差動光信号送信システム３１０の他の実施形態は、２ｍレベルＭ−ＰＡＭ光信号を発生するための光変調デバイスとしてＬｉＮｂＯ３から形成される１×ｍ超高速スイッチファブリックを利用することができる。例えば、図１０に描かれる実施形態において、光変調デバイス３２０は、ＱＰＡＭ信号を発生するための１×４超高速スイッチファブリックであることができる。光変調デバイス３２０は、縦列配置された１×２のＹブランチスイッチの第１のステージ３２２と第２のステージ３２４を備えることができ、即ち、これらのスイッチの各々のアームは次のステージの入力であることができる。
【００８７】
第１のステージ３２２は、連続波光源１１２に光結合される第１のＹブランチスイッチ３１２を備えることができる。第１のＹブランチスイッチ３１２は、第１のＹブランチスイッチ３１２を制御する電気信号発生器１１４に通信可能に結合することができる。第１のＹブランチスイッチ３１２は、電気信号発生器１１４の出力に依存して上アームｂ１又は下アーム
0006257098.tif 000024
のいずれかでビットとして光信号を引き起こす。例えば、出力が電気二進信号である場合、１は、上アームｂ１に対応でき、０は、Ｙブランチスイッチ３１２の下アーム
0006257098.tif 000025
に対応できる。
【００８８】
第２のステージ３２４は、第１のＹブランチスイッチ３１２の上アームｂ１に光結合される第２のＹブランチスイッチ３１４及び第１のＹブランチスイッチ３１２の下アーム
0006257098.tif 000026
に光結合される第３のＹブランチスイッチ３１６を備えることができる。第２のＹブランチスイッチ３１４と第３のＹブランチスイッチ３１６は、制御のために電気信号発生器２１４に通信可能に結合することができる。第２のＹブランチスイッチ３１４と第３のＹブランチスイッチ３１６は、電気信号発生器２１４の出力に依存して上アームｂ２又は下アーム
0006257098.tif 000027
のいずれかで第１のＹブランチスイッチ３１２からの入力を引き起こすことができる。例えば、出力が電気二進信号である場合、１は、上アームｂ２に対応でき、０は、第２のＹブランチスイッチ３１４と第３のＹブランチスイッチ３１６の各々の下アーム
0006257098.tif 000028
に対応できる。
【００８９】
従って、第１のステージ３２２の第１のＹブランチスイッチ３１２は、第１の二進シーケンスによって制御することができ、第２のステージ３２４の第２のＹブランチスイッチ３１４と第３のＹブランチスイッチ３１６は、第２の二進シーケンスによって並列に制御することができる。３つのＹブランチスイッチ３１２、３１４及び３１６の全ての状態は、各ビット周期Ｔで一旦リセットすることができる。特定の時間間隔で、２つの二進シーケンスは、ビットｂ１，ｂ２∈｛０，１｝よりなると仮定する。相補ビットは、
0006257098.tif 000029
によって示すことができる。整合光検出器１６２によって検出される瞬間の光電力は、式（２２）の組によって与えることができる。
【００９０】
【数２２】
0006257098.tif 000030
【００９１】
ここで、Ｐｉｎは、光変調デバイス３２０の第１のステージ３２２の第１のＹブランチスイッチ３１２によって受信される光信号の平均パワーである。
【００９２】
整合光検出器１６２の各々は、各々が構成可能利得Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を有する利得デバイス３２６のアレイに通信可能に結合することができる。平衡受信器３６０での全光電流は、以下の式（２３）によって与えることができる。
【００９３】
【数２３】
0006257098.tif 000031
【００９４】
利得デバイス３２６の各々に対して適切な利得Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を選択することによって、平衡受信器３６０の出力は、多進信号を生じることができる。具体的には、Ｇ１＝Ｇ４＝１及びＧ２＝Ｇ３＝１／３を設定することによって、平衡受信器３６０から出力される最終光電流は、ＱＰＡＭ信号であることができる。図１０に描かれるシステム３１０の実施形態は、ＱＰＡＭ信号に対して構成される１×４スイッチファブリックよりなるが、ここで記述される実施形態は、より高次のＭ−ＰＡＭ信号に対する追加のステージを含むことによって１×ｍスイッチファブリックに一般化することができる。
【００９５】
ここで図１１を参照すると、差動光信号送信システム４１０の更なる実施形態が概略的に描かれている。光変調デバイス４２０は、入れ子にされた光変調デバイス１２０を有するＭＺＩから形成することができる。幾つかの実施形態では、上記のように、光変調デバイス１２０の各々がＭＺＭから形成することができる。従って、光変調デバイスは、対称的出力結合器を有するＭＺＩ内に配置される２つのデュアル出力ＭＺＭから形成することができる。
【００９６】
一実施形態では、連続波光源１１２は、光変調デバイス４２０の光入力ポート４２２へ光結合することができる。光入力ポート４２２は、第１の光パス４２４と第２の光パス４２６に分割することができる。第１の光パス４２４と第２の光パス４２６の各々は、光変調デバイス１２０に光結合することができる。上述のように、光変調デバイス１２０の各々は、第１の光出力ポート１２８と第２の光出力ポート１３０を有することができる。光変調デバイス１２０の第１の光出力ポート１２８の各々は、光変調デバイス４２０の第１の光出力ポート４２８に組み合わされて光結合することができる。同様に、光変調デバイス１２０の第２の光出力ポート１３０の各々は、光変調デバイス４２０の第２の光出力ポート４３０に組み合わされて光結合することができる。
【００９７】
第１の電気信号発生器１１４は、一方の光変調デバイス１２０に通信可能に結合することができ、第２の電気信号発生器２１４は、他方の光変調デバイス１２０に通信可能に結合することができる。電気信号発生器１１４と２１４は、光変調デバイス１２０を独立して制御するために二進波形を発生するように構成することができる。二進波形は、式（２４）として表することができる。
【００９８】
【数２４】
0006257098.tif 000032
【００９９】
ここで、二進波形振幅ακとβκは、集合｛０，１｝からの離散値を取る。
【０１００】
光変調デバイス４２０における伝搬損失を無視し、出力結合器の振幅結合比がＡ：Ｂに等しいと仮定すると、κ番目の時間間隔での相補変調光信号１０２の電界は、式（２５）によって与えることができる。
【０１０１】
【数２５】
0006257098.tif 000033
【０１０２】
相補変調光信号１０２は、平衡光受信器１６０に送信されてそれによって受信される。平衡光受信器１６０が理想的な四進検出器である光ダイオードよりなると仮定することができる。従って、平衡光受信器１６０によって検出される瞬間光電力は、式（２６）によって与えることができる。
【０１０３】
【数２６】
0006257098.tif 000034
【０１０４】
ここで、Ｐｉｎは、光変調デバイス４２０の光入力ポート４２２での光信号の平均パワーである。
【０１０５】
平衡光受信器１６０は、２つの平衡光ダイオードを含むことができ、これらの平衡光ダイオードの各々は、実質的に等しい応答度Ｒを有すると仮定することができる。更に、光ダイオードは、背中合わせで接続することができる。従って、平衡光受信器１６０の出力での全光電流は、式（２７）によって与えることができる。
【０１０６】
【数２７】
0006257098.tif 000035
【０１０７】
Ａ＝√３／２とＢ＝１を選択することによって、全光電流は、ＱＰＡＭ信号を生じるように構成することができる。
【０１０８】
多進ＰＡＭ差動信号送信の性能は、ビット当たりの必要な受信平均エネルギーに関して、従来の多進強度変調（ＩＭ）／直接検出（ＤＤ）と比較することができる。光受信器フロントエンドからの出力での電気光電流は、式（２８）によって与えられるパルストレインとして書かれることができると仮定することができる。
【０１０９】
【数２８】
0006257098.tif 000036
【０１１０】
ここで、Ｉｍは、ｍ番目の受信シンボルに対応する光電流（即ち、Ｉｍ＝ＲＰｍであり、Ｒ
は光ダイオード応答度を指し、Ｐｍはｍ番目の記号に対する受信光電力を指す）であり、Ｔｓは、シンボル周期であり、ｎ（ｔ）は、受信器ショットノイズと熱ノイズであり、ｇ（ｔ）は、パルス形状である。
【０１１１】
更に、ショットノイズと熱ノイズの両方は、加算性白色ガウスノイズであると仮定することができる。加えて、パルス形状は、式（２９）によって与えられる同期パルス形状の理想化された場合であってもよい。
【０１１２】
【数２９】
0006257098.tif 000037
【０１１３】
同期パルスは、ゼロ符号間干渉（ＩＳＩ）に対するナイキスト基準を満たすレイズドコサインスペクトルパルスの群に属する。式（３０）で示されるこれらのスペクトルＧ（ｆ）は、実質的に矩形である。
【０１１４】
【数３０】
0006257098.tif 000038
【０１１５】
更に、ＤＤ受信器フロントエンドは、式（３１）で示されるユニット伝達関数を有する整合ローパスフィルタが続くと仮定することができる。
【０１１６】
【数３１】
0006257098.tif 000039
【０１１７】
整合フィルタの出力で、受信器決定回路は、式（３２）のシンボル当り一回光電流をサンプリングすることができる。
【０１１８】
【数３２】
0006257098.tif 000040
【０１１９】
ここで、ｎｋ＝ｎ（ｋＴｓ）は、受信器ショットノイズと熱ノイズのフィルタ処理されたサンプルである。後者は、式（３３）のゼロ平均と分散を有するガウス分布に従う。
【０１２０】
【数３３】
0006257098.tif 000041
【０１２１】
ここでσ２ｓｈ，ｋとσ２ｔｈは、ｋ番目のシンボルに対するショットと熱光電流ノイズの分散である。光相互接続に対するＩＭ／ＤＤ受信器は、熱ノイズ制限内に深く動作し、ショットノイズ分散は、熱ノイズ分散に比較して一桁小さい。従って、式（３４）の以下の簡略化が行われる。
【０１２２】
【数３４】
0006257098.tif 000042
【０１２３】
ここで、ｉｔｈは、ｐＡ／√Ｈｚで表される等価入力電気ノイズ電流パワースペクトル密度のｒｍｓ値であり、Ｂは、式（３５）に等しい整合フィルタバンド幅である。
【０１２４】
【数３５】
0006257098.tif 000043
【０１２５】
式（３４）におけるフィルタ処理された受信器ショットノイズと熱ノイズの連続サンプルは、整合フィルタの形状に起因して相関していないことは注目すべきである。
【０１２６】
多進ＰＡＭに対して、熱ノイズが無い場合、受信器出力での光電流のサンプルは、Ｍ個の個別の等距離レベルＩ０乃至ＩＭ−１に対応できる。ｋ＝ｌｏｇ２Ｍビットのワードは、グレイ符号化を使用して異なる光電流レベルに割り当てることができる、即ち、隣接する信号レベルに対応するワードは、１ビットだけ異なることができる。熱ノイズの存在下において、受信器出力での光電流のサンプルは、それらの名目位置から異なっている。決定閾値は、連続するレベル同士間の中間点に配置することができる。
【０１２７】
従って、式（３６）に従って、多進ＰＡＭ差動信号送信と従来の多進ＩＭ／ＤＤの両方のビット誤差確率Ｐｅ｜ｂを計算することができる。
【０１２８】
【数３６】
0006257098.tif 000044
【０１２９】
ここで、２ｄは、隣接する電流レベル間の距離であり、相補誤差関数は、式（３７）によって与えられる。
【０１３０】
【数３７】
0006257098.tif 000045
【０１３１】
多進ＰＡＭ差動信号送信に対して、電流レベルは、式（３８）の集合から離散値を取る。
【０１３２】
【数３８】
0006257098.tif 000046
【０１３３】
他方、従来の多進ＩＭ／ＤＤに対して、電流レベルは、式（３９）の集合から離散値を取る。
【０１３４】
【数３９】
0006257098.tif 000047
【０１３５】
両方の場合対応する受信平均パワーは、式（４０）によって表することができる。
【０１３６】
【数４０】
0006257098.tif 000048
【０１３７】
多進ＰＡＭ差動信号送信と従来のＩＭ／ＤＤの両方は、同じ受信器感度を有することができる。しかしながら、多進ＰＡＭ差動通信の場合、連続波光源の平均伝送パワーは、相補変調光通信のために、従来のＩＭ／ＤＤに比較して３ｄＢ低い。例えば、ＭＺＭ出力結合器の両ブランチからの光電力が使用される。
【０１３８】
同じ変調系内の二進の場合からのレベルの数の増加は、式（４１）によって与えられる非常に低い誤差確率で漸近的光エネルギー／ｂペナルティを引き起こし得る。
【０１３９】
【数４１】
0006257098.tif 000049
【０１４０】
ここで、図１２を参照すると、光エネルギー／ｂペナルティは、レベルの数の関数としてプロットすることができる。例えば、二進からＱＰＡＭへ遷移する二進のケースに比較して、光エネルギー／ｂペナルティは、約３．２６ｄＢである。
【０１４１】
前述に基づいて、ＢＰＡＭ差動光信号送信の使用は、従来のＩＭ／ＤＤリンクに比較して３ｄＢだけ減少し得ると考えられる。更に、ＱＰＡＭ差動信号送信の場合は、従来の二進ＩＭ／ＤＤに比較して、シンボルレートを半分にするために３ｄＢの光エネルギー利点を交換できる。ラインレートにおける減少は、コンポーネントコストの減少となり、波長分散特性に対してリンクの頑健性を４倍にし、送受信器電子装置のエネルギー浪費を減少する。
【０１４２】
ここで記述された実施形態は、異なる光信号送信のために利用することができることが理解されるべきである。ここで記述されたシステムは、多進ＰＡＭ信号を発生するために平衡光受信器に光結合される光変調デバイス（例えば、ＭＺＭ又はＭＺＩ）を含むことができる。幾つかの実施形態では、電子多進シンボルシーケンスは、シンボルレートに等しいビットレートと不等電圧比を有する複数の二進ビット同期ビットシーケンスを追加することによって同期化することができる。更なる実施形態では、多進ＰＡＭ光信号は、同位相の複数の二進ＰＡＭ信号に不等電界増幅比を追加することによって同期化することができる。更に、光多進ＰＡＭ信号は、入れ子ＭＺＩを使用して非同期ブランチと各ブランチの外部変調器（ＭＺＭ）で発生させることができる。多進ＰＡＭ光信号は、高性能演算光相互接続部とデータセンターの全体の電力消費を減少するために利用することができる。具体的には、相補多進ＰＡＭ光波長は、従来の多進ＩＭ／ＤＤに比較して３ｄＢだけ送信された光電力を減少することができる。更に、相補多進ＰＡＭ光波長は、直接検出受信器の決定閾値をゼロに設定することができ、従来のＩＭ／ＤＤに対して顕著に単純化できる。具体的には、決定閾値は、ゼロクロッシングに固定することができ、多進ＰＡＭは、そのゼロ状態回りに対称的に配することができる。
【０１４３】
用語“実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）”と“略又は約（ａｂｏｕｔ）”は、任意の量的比較、値、測定、又は他の表現に帰せられる固有の不確定度を表すためにここでは利用することができることに留意すべきである。これらの用語は、量的表現が問題の主題の基本的機能における変化となることなく記述された状態から変化し得る度合いを表すためにここでは利用される。
【０１４４】
請求項の主題の精神と範囲から逸脱することなく種々の変更及び変形がここで記述された実施形態に対して行われ得ることは当業者には明白である。このように、本明細書は、ここで記述された種々の実施形態の変更及び変形が添付の特許請求の範囲及びその等価物から生じる限り、それらの変更及び変形に及ぶことが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
0006257098.tif 000056
【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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