JP5102144B2

JP5102144B2 - 光中継装置および光伝送システム

Info

Publication number: JP5102144B2
Application number: JP2008209302A
Authority: JP
Inventors: 利明下羽; 慎一青柳; 智池田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-08-15
Also published as: JP2010045685A

Description

本発明は、光ファイバによってＦＭ一括変換形光アナログ信号を伝送する光伝送システム及びこの光伝送システムの光ファイバに挿入される光中継装置に関する。

光ファイバを用いてアナログ信号を伝送する方式として、１．５５μｍ帯の光を使ったＦＭ一括変換形の光映像配信システムが実用化されている。この方式による光伝送システムの概略を図１に示す。本方式においては、光送信装置内においてアナログ信号を図２に示す広帯域のＦＭ信号に変換した後、搬送波の強度を変調し伝送路に送信する。伝送路では光増幅器を多段に接続し、各増幅器を中継用光ファイバで接続することによって長距離の光映像伝送を実現している。ここで、伝送距離をさらに長延化することは、システムの経済性の観点から非常に重要である。

本方式において、より長距離な光伝送を実現するためには、光増幅器からの出力光パワーをなるべく高くし中継できる距離を長くする、光増幅器の接続段数を増やすなどの必要がある。結果、光ファイバ中を強いパワーの光信号が、長い距離を伝搬することになる。

このような高いパワーの光信号がファイバ中を長距離に渡って伝搬する条件下では、ファイバ中の非線形効果の１つであるＳＰＭ（ＳｅｌｆＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ；自己位相変調）と、波長によって伝搬速度が異なることで生ずるＣＤ（ＣｈｒｏｍａｔｉｃＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎ；波長分散）の複合的な影響によって伝送信号に歪が生じることが指摘されている（例えば、非特許文献１を参照。）。
非線形ファイバ光学原書第２版、著者Ｇ．Ｐ．アグラワール、訳者小田垣孝、山田興一、出版社株式会社吉岡書店、該当ページｐ１１３〜１１７

ＦＭ一括変換形のシステムでは、強いパワーの光信号を使えば、前述のＳＰＭとＣＤによって生じた高調波歪の影響で、図３に示すように復調信号に復調前のＦＭ信号成分がもれこみ、アナログ信号のＣＮＲ（ＣａｒｒｉｅｒｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ；搬送波対雑音比）が劣化しやすくなる。このため、強いパワーの光信号を使えず伝送できる距離が制限されるという課題があった。

上記課題に対して、ＳＰＭの影響が無視できる程度まで光ファイバヘの入力パワーを下げる方法もある。しかし、光ファイバの入力パワーを制限するため、後段の光増幅器への入力パワーが小さくなるため、光増幅器で発生する雑音が大きくなり、多段中継後に信号の雑音特性が劣化し、中継できる段数が制限されることになる。

また、上記課題に対して、伝送距離を短くして、非線形効果であるＳＰＭの作用長を短くする方法もある。しかし、ＳＰＭ抑圧のため、中継ファイバ長を短くするため、１段当たりの伝送できる距離が制限され、中継数が大幅に増大することになる。

さらに、上記課題に対して、伝送中で常にＣＤを零付近に保った状態で伝送する方法もある。しかし、伝送路中で常に波長分散を零近傍に保つ必要があるため、中継網だけでなく、ユーザによって伝送距離がさまざまなアクセス網に対しても、すべてのユーザに対して伝送中のＣＤが零となるような設計をする必要がある。例えば、この方法を採用したシステムの場合、アクセス網を含めた伝送路すべてのファイバに、１．５５μｍ帯ＤＳＦ（ＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎＳｈｉｆｔｅｄｏｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒ；分散シフト光ファイバ）を用いることになり、既に敷設されている１．３μｍ帯ＳＭＦ（Ｓｉｎｇｌｅ−ＭｏｄｅｏｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒ；シングルモード光ファイバ）を使うことができず、新たな設備投資に多額の費用が発生することになる。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＳＰＭとＣＤの影響による伝送信号の品質劣化を抑圧することによって、伝送距離の長延化を経済的に実現する光中継装置および光伝送システムを提供することを目的とする。

まず、ＣＮＲが劣化する理由を説明する。周波数ｆｃの光波を周波数ｆｍの正弦波信号で外部強度変調した場合の周波数スペクトラムを図４に示す。図４の周波数スペクトラムは、光搬送波を電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）のような外部変調器を用いて正弦波信号で強度変調した場合を想定している。この場合、光の電界に対して、変調器に印加される入力信号電圧の１／２乗で強度変調がかかることになる。正弦波を１／２乗した信号は、元の周波数ｆｍに加えて、２ｆｍ、３ｆｍ、・・・の周波数成分も有するため、変調後の光信号は、側波帯としてｆｃ±２ｆｍ、ｆｃ±３ｆｍ、・・・の成分を含むことになる。図４では、周波数スペクトラムを模式的に示すため、ｆｃ±３ｆｍまでの側波帯を図示するに留めている。

このような周波数成分を持つ光信号が光ファイバ中を伝送した際の、ＳＰＭの影響がある場合の伝送後の光ペクトラムを図５に示す。図５に示すように、ＳＰＭの影響がある場合には、自身の光強度変動による伝送路の屈折率変化によって光信号が位相変調され、光信号のスペクトラムが広帯域に広がる。

このようなＳＰＭによってスペクトラムの広がった光信号を、光受信器によって受信することを考える。もし、光ファイバにＣＤが存在する場合には、ＳＰＭによって広がった光側波の各々の伝送速度に差が生じ、その結果それぞれの周波数成分に位相ずれが起きるため、受信した信号は伝送前と比較して高調波歪が大きくなる。ＦＭ一括変換システムの場合には、中継伝送路でのＳＰＭとＣＤによって受信装置で受信後の信号の高調波歪が増大し、ＦＭ復調後のアナログ信号に、復調前のＦＭ信号の裾野がもれ込み、ＣＮＲの劣化を引き起こす。

一方、光ファイバにＣＤが存在しない場合は、光スペクトラムは広がるものの、各周波数成分の位相ずれは起きないので、受信機での光から電気への光電変換過程でＳＰＭによる光位相変調成分は消失する。結果、上記のような高調波歪の増大は起こらない。

そこで、前記目的を達成するために、本発明に係る光伝送システムは、光伝送路のＣＤを常に零付近で伝送し、本発明に係る光中継装置で光から電気への光電変換を行うことによって、ＳＰＭとＣＤによる高調波歪の劣化を抑圧することとした。

具体的には、本発明に係る光中継装置は、複数のアナログ信号をＦＭ信号に変換した後、光搬送波を強度変調したＦＭ一括変換形光アナログ信号を当該ＦＭ一括変換形光アナログ信号の光搬送波の波長に零分散波長を有する分散シフト光ファイバで伝送する光伝送システムの前記分散シフト光ファイバ間に接続される光中継装置であって、前記光中継装置は、上流側の分散シフト光ファイバから、該上流側の分散シフト光ファイバの零分散波長に等しい波長の光搬送波を強度変調したＦＭ一括変換形光アナログ信号を光周波数領域に対して感度を持たない光電変換手段によって受信して電気信号に変換する光受信部と、前記光受信部からの電気信号を用いて、下流側の分散シフト光ファイバの零分散波長に等しい波長の光搬送波を強度変調してＦＭ一括変換形光アナログ信号を生成し、該下流側の分散シフト光ファイバへ出力する光送信部と、を有し、前記上流側の分散シフト光ファイバ中の自己位相変調によるスペクトラム広がり及び光位相変調成分を消滅させて、前記上流側の分散シフト光ファイバに入力された前記ＦＭ一括変換形光アナログ信号を復元することを特徴とする。

光ファイバにＣＤが存在しないためＦＭ一括変換形アナログ信号の各周波数成分に位相ずれが起こらず、光受信部が光から電気への光電変換することでＳＰＭによる光位相変調成分を除去することができる。従って、本発明は、ＳＰＭとＣＤの影響による伝送信号の品質劣化を抑圧することによって、伝送距離の長延化を経済的に実現する光中継装置を提供することができる。

本発明に係る光中継装置は、前記光受信部と前記光送信部との間に接続され、前記光受信部からの電気信号の強度を測定し、所定値になるようにレベル調整して前記光送信部に出力するレベル調整部をさらに有してもよい。光送信部で所望の光変調度を得ることができる。

本発明に係る光中継装置は、前記レベル調整部と前記光送信部との間に接続され、前記レベル調整部でレベル調整された電気信号の歪成分を抑圧して前記光送信部に出力する帯域制限部をさらに有してもよい。レベル調整部で発生した高周波成分を除去することができる。

具体的には、本発明に係る光伝送システムは、複数のアナログ信号をＦＭ信号に変換した後、光搬送波を強度変調したＦＭ一括変換形光アナログ信号を伝送する光伝送システムであって、当該ＦＭ一括変換形光アナログ信号の光搬送波の波長に零分散波長を有する分散シフト光ファイバの中継光伝送路と、前記中継光伝送路に挿入される前記光中継装置と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光伝送システムは、ＣＤが存在しない分散シフト光ファイバでＦＭ一括変換形アナログ信号を各周波数成分に位相ずれなく伝送することができ、光中継装置が光から電気への光電変換することでＳＰＭによる光位相変調成分を除去することができる。従って、本発明は、ＳＰＭとＣＤの影響による伝送信号の品質劣化を抑圧することによって、伝送距離の長延化を経済的に実現する光伝送システムを提供することができる。

本発明に係る光伝送システムは、前記光中継装置の直後の前記中継光伝送路に挿入され、ＦＭ一括変換形光アナログ信号を増幅する中継用光増幅装置をさらに備える。ＳＰＭを低減したＦＭ一括変換形アナログ信号を光増幅できるため、伝送距離が長くてもＣＮＲを小さくすることができる。

本発明に係る光中継装置は、中継伝送路のＣＤの影響を受けないＤＳＦで構築することにより、伝送路中のＳＰＭによるスペクトラム広がりを簡易に抑圧することができる。また、本発明に係る光中継装置を搭載したＦＭ一括変換形の光伝送システムによって、伝送距離の長延化を実現することができる。さらに、中継伝送部に用いられるＤＳＦについては、既存の設備網にあるＤＳＦを活用することができ、アクセス系には既に敷設済みのＳＭＦをそのまま使用するため、経済性にも優れる。このように本発明は、ＳＰＭとＣＤの影響による伝送信号の品質劣化を抑圧することによって、伝送距離の長延化を経済的に実現する光中継装置及び光伝送システムを提供することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（光伝送実験結果）
ＳＰＭの抑圧効果を確かめるため、図６に示す実験系を用いた光伝送実験を実施した。本実験系では、信号源１１からの３ＧＨｚで強度変調された１．５５μｍ帯の光信号が、光増幅器１２にて＋１８ｄＢｍに増幅された後、５０ｋｍのＤＳＦ１３中を伝送される。伝送後の光信号は光中継装置２０に入力される。

光中継装置２０において、光信号はまず光受信部１４で電気信号に変換された後、電気増幅器１６の前後に接続されたレベル調整部１５及びレベル調整部１７にてレベル調整され、光送信部１８にて再び光信号に変換され、光伝送路１９に送信される。実験系中に示した測定点Ａ、測定点Ｂ、測定点Ｃの３つのポイントにて、光信号の光スペクトラムを測定した。

測定の結果を図７に示す。測定点Ａに比べ測定点Ｂでは全体的に光スペクトラムが広い波長範囲に広がっている。これは、ＤＳＦ１３で発生したＳＰＭによる影響であると考えられる。光中継装置２０の出力の測定点Ｃでは、測定点Ｂで観測されていた光スペクトラムの広がりが抑圧されており、ほぼ測定点Ａの状態に近い光スペクトラムを示している。これはＳＰＭによる光スペクトラムの広がりは、光中継装置２０によって抑圧することが可能であることを示している。

（光中継装置の実施形態）
図８は、ＳＰＭによる影響を抑圧することが可能な光中継装置１２０の機能ブロック図である。光中継装置１２０は、光受信部１１４、レベル調整部１１５、帯域制限部１１６及び光送信部１１８が直列に接続されている。光伝送路中のＳＰＭによるスペクトラム広がりを抑圧するという機能のみを実現するのであれば、レベル調整部１１５および帯域制限部１１６は不要である。しかし、光中継装置としての機能を実現するためには、光中継装置１２０から出力される光信号の光変調度をシステムで要求される所望の値とするため、光受信部１１４から電気信号を入力し、そのレベルを光送信部１１８において所望の光変調度が得られるように調整するレベル調整部１１５が必要となる。また、レベル調整部１１５において高調波歪みなどの歪成分が発生する場合には、例えば、バンドパスフィルタ等の帯域制限部１１６を設けることによって、その歪成分を抑圧する必要がある。

光受信部１１４には、入力する光信号を電気信号に変換する。この光信号は、複数のアナログ信号をＦＭ信号に変換した後、光搬送波を強度変調したＦＭ一括変換形光アナログ信号であり、光搬送波の波長に零分散波長を有するＤＳＦから光受信部１１４に入力される。光受信部１１４は、ＤＳＦから入力されたＦＭ一括変換形光アナログ信号を受信して電気信号に変換する。

レベル調整部１１５は、光受信部１１４からの電気信号の強度を測定し、光送信部１１８で所望の光変調度が得られるように電気信号のレベルを所定値に調整して出力する。電気信号の強度及びレベルとは、例えば、電気信号の電力や電圧とすることができる。例えば、レベル調整部１１５は、減衰器と増幅器とを直列に接続した構成であり、調整部での雑音の付加がなるべく起こらないよう設計されることが必要となる。

帯域制限部１１６は、レベル調整部１１５でレベル調整された電気信号の歪成分を抑圧して光送信部１１８に出力する。帯域制限部１１６は、例えば、所定の通過帯域特性を有するバンドパスフィルタとすることができる。

光送信部１１８は、電気信号を光信号に変換して出力する。具体的には、光送信部１１８は、帯域制限部１１６からの電気信号をＦＭ一括変換形光アナログ信号に変換してＤＳＦへ出力する。

光中継装置１２０の動作について、以下に説明する。光中継装置１２０にＳＰＭによってスペクトラムの広がった波形の光信号が入力された場合について述べる。光信号は光受信部１１４において光信号から電気信号に変換される。このとき、光受信部１１４では光周波数領域のような高い周波数に対しては感度を持たない。ＳＰＭによる影響は光の位相変動なので、もし入力信号の各側波成分に、波長分散による位相のずれが無ければ、光から電気への光電変換によってＳＰＭによる位相変調成分は消失し、光受信部１１４からの出力信号は伝送前の信号と同様に高調波歪の無い信号となる。電気信号に変換されたＦＭ信号は、レベル調整部１１５にて信号レベルが調整される。帯域制限部１１６は、レベル調整部１１５で発生した高調波歪成分をカットし、光信号を送信する前のＦＭ信号となるような通過帯域特性を有する。帯域制限部１１６からの電気信号は、光送信部１１８で光信号に再変換され、再び伝送路に出力される。

（光伝送システムの実施形態）
次に、光中継装置１２０を搭載した光伝送システム３０１について述べる。本実施形態の光伝送システム３０１を図９に示す。光伝送システム３０１は、光搬送波の波長に零分散波長を有するＤＳＦの中継光伝送路３１３と、中継光伝送路３１３に挿入される光中継装置１２０と、を備え、複数のアナログ信号をＦＭ信号に変換した後、光搬送波を強度変調したＦＭ一括変換形光アナログ信号を光送信装置３１１からユーザ宅３２３へ伝送する。

光伝送システム３０１は、光送信装置３１１、光増幅／分配装置３１２、中継光伝送路３１３、光中継装置１２０、局内中継器３２０、アクセス伝送用光ファイバ３２１、光分岐器３２２及びユーザ宅３２３を含む。

光送信装置３１１は、複数のアナログ信号をＦＭ信号に変換した後、光搬送波を強度変調したＦＭ一括変換形光アナログ信号を出力する。光増幅／分配装置３１２は、上流からのＦＭ一括変換形光アナログ信号を受信して光増幅し、必要に応じて複数に分岐して出力する。光中継装置１２０は、中継光伝送路３１３から入力されるＦＭ一括変換形光アナログ信号を受信してＳＰＭとＣＤによる高調波歪の劣化を抑圧する。光増幅／分配装置３１２から光中継装置１２０までは複数繰返し接続されることがある。ＦＭ一括変換形光アナログ信号は、局内中継器３２０に入力され、アクセス伝送用光ファイバ３２１を介して光分岐器３２２に入力される。光分岐器３２２は、ＦＭ一括変換形光アナログ信号から複数のアナログ信号を分岐し、ユーザ宅３２３へ配信する。

なお、光中継装置１２０は光増幅／分配装置３１２毎に挿入することを限定するものではなく、適用する中継系の伝送距離や中継段数によって、挿入する段数等を決定することができる。

光伝送システム３０１では、光中継装置１２０を従来の光増幅／分配装置３１２の前段に接続することによって、中継光伝送路３１３中で発生したＳＰＭによる波形広がりを消失させることができる。このとき、光中継装置１２０に入力される光信号はＣＤによる影響が無いことが必要となるので、中継光伝送路３１３にはＤＳＦを用いることが必要となるが、これは既存設備網のＤＳＦを利用することで容易に実現が可能である。よって、これまで伝送が困難であった広域なエリアに対しても、ＳＰＭとＣＤに起因する特性劣化のほとんど無い光伝送システムを構築することができる。また、局内中継器３２０からユーザ宅３２３までのアクセス系の伝送距離は長くても１０ｋｍ程度であるため、アクセス伝送用光ファイバ３２１には既に敷設済みのＳＭＦをそのまま用いることが可能である。

本発明に係る光中継装置および光伝送システムは、光映像信号を光ファイバで伝送するシステムに適用することができる。

従来の方式による光伝送システムの概略を説明する図である。従来の光送信装置内においてアナログ信号を広帯域のＦＭ信号に変換したときの図である。復調信号に復調前のＦＭ信号成分がもれこみ、アナログ信号のＣＮＲが劣化しやすくなることを説明する図である。周波数ｆｃの光波を周波数ｆｍの正弦波信号で外部強度変調した場合の周波数スペクトラムを説明する図である。図４のような周波数成分を持つ光信号が光ファイバ中を伝送した際の、ＳＰＭの影響がある場合の伝送後の光ペクトラムを示す図である。ＳＰＭの抑圧効果を確かめるための実験系の構成を説明する図である。図６の実験結果を説明する図である。本発明に係る光中継装置の機能ブロック図である。本発明に係る光伝送システムの構成を説明する図である。

符号の説明

１１：信号源
１２：光増幅器
１３：ＤＳＦ（分散シフト光ファイバ）
１４、１１４：光受信部
１５、１７、１１５：レベル調整部
１６：電気増幅器
１８、１１８：光送信部
１９：光伝送路
２０：光中継装置
１１６：帯域制限部
１２０：光中継装置
３０１：光伝送システム
３１１：光送信装置
３１２：光増幅／分配装置
３１３：中継光伝送路
３２０：局内中継器
３２１：アクセス伝送用光ファイバ
３２２：光分岐器
３２３：ユーザ宅

Claims

複数のアナログ信号をＦＭ信号に変換した後、光搬送波を強度変調したＦＭ一括変換形光アナログ信号を当該ＦＭ一括変換形光アナログ信号の光搬送波の波長に零分散波長を有する分散シフト光ファイバで伝送する光伝送システムの前記分散シフト光ファイバ間に接続される光中継装置であって、
前記光中継装置は、
上流側の分散シフト光ファイバから、該上流側の分散シフト光ファイバの零分散波長に等しい波長の光搬送波を強度変調したＦＭ一括変換形光アナログ信号を光周波数領域に対して感度を持たない光電変換手段によって受信して電気信号に変換する光受信部と、
前記光受信部からの電気信号を用いて、下流側の分散シフト光ファイバの零分散波長に等しい波長の光搬送波を強度変調してＦＭ一括変換形光アナログ信号を生成し、該下流側の分散シフト光ファイバへ出力する光送信部と、
を有し、前記上流側の分散シフト光ファイバ中の自己位相変調によるスペクトラム広がり及び光位相変調成分を消滅させて、前記上流側の分散シフト光ファイバに入力された前記ＦＭ一括変換形光アナログ信号を復元することを特徴とする光中継装置。
前記光受信部と前記光送信部との間に接続され、前記光受信部からの電気信号の強度を測定し、所定値になるようにレベル調整して前記光送信部に出力するレベル調整部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の光中継装置。
前記レベル調整部と前記光送信部との間に接続され、前記レベル調整部でレベル調整された電気信号の歪成分を抑圧して前記光送信部に出力する帯域制限部をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の光中継装置。
複数のアナログ信号をＦＭ信号に変換した後、光搬送波を強度変調したＦＭ一括変換形光アナログ信号を伝送する光伝送システムであって、
当該ＦＭ一括変換形光アナログ信号の光搬送波の波長に零分散波長を有する分散シフト光ファイバの中継光伝送路と、
前記中継光伝送路に挿入される請求項１から３に記載のいずれかの光中継装置と、
を備えることを特徴とする光伝送システム。
前記光中継装置の直後の前記中継光伝送路に挿入され、ＦＭ一括変換形光アナログ信号を増幅する中継用光増幅装置をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の光伝送システム。