JP2002512480A - 光学的濾波によるコヒーレンス分割多重化を利用したマルチチャネル光伝送の方法およびシステム - Google Patents

光学的濾波によるコヒーレンス分割多重化を利用したマルチチャネル光伝送の方法およびシステム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 同一の光ファイバを介して複数の光信号を伝送するためのコヒーレンス分割多重化（ＣＤＭ）の方法およびシステムを提供する。 【解決手段】 各ＣＤＭ光信号の光学的選択および濾波に基づいて、光路一致干渉法と部分コヒーレント光の位相変調とを利用して、他の非選択ＣＤＭ光信号に関連するノイズを低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、光ファイバ遠隔通信ネットワークに関し、特に、マルチチャネル光
ファイバ通信の方法およびシステムに関する。 同一のファイバ上で幾つかの通信チャネルを多重化するための従来の方法とし
て、時分割多重化（ＴＤＭ）および波長分割多重化（ＷＤＭ）がある。ＴＤＭ法
においては、通信チャネルの数が、伝送ビットレートにより決定される。現在の
長距離遠隔通信ネットワークでは、６２２Ｍｂｉｔ／ｓｅｃおよび２．５Ｇｂｉ
ｔ／ｓｅｃ、最近では１０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃのビットレートが普通である。
【０００２】 ＷＤＭ法においては、別個の伝送波長が、光ファイバの透過帯域（１５００ｎ
ｍまたは１３１０ｎｍ）内の各通信チャネルに割り当てられる。全てのＷＤＭチ
ャネルが、同一のファイバを介して伝送される。例えば、チャネル間のスペクト
ル距離が０．８ｎｍ以下で、Ｅｒドープファイバ光増幅器の１５３０〜１５６０
ｎｍの光帯域において、既存のネットワーク内のＷＤＭチャネルの数が４０を越
える場合がある。
【０００３】 ＴＤＭ法およびＷＤＭ法は、各チャネルに必要な帯域幅で分割した光透過帯域
幅に関して理論的容量限界を有する。光ファイバは、１５５０ｎｍ付近の活性透
過帯域が５・１０13ｓｅｃ-1である。この透過帯域において、２．５Ｇｂｉｔ／
ｓｅｃのレートを有する１０００を越えるチャネルが伝送される。 しかし、実用可能なＴＤＭシステムおよびＷＤＭシステムは、実質的に理論限
界以下の容量を有する。最高ＴＤＭビットレートは、現在の半導体装置の最高動
作周波数により制約される。この様な装置の潜在的なリソースは、４０Ｇｂｉｔ
／ｓｅｃ以上で費やされ、これは、ファイバ伝送容量のフル活用に必要な周波数
よりも３桁も小さい。
【０００４】 ＷＤＭ法は、原則的にファイバ伝送容量のフル活用を可能にする。しかし、隣
接するＷＤＭチャネルを分離するためには、非常に安定した中心周波数と狭い透
過帯域を有する送信装置および受信装置を製造しなければならない。ＤＢＲレー
ザ、ＤＦＢレーザなどの現在の能動送信装置や、ファイバグレーティングなどの
受信装置は、環境変動に影響されやすい高性能な装置である。この様な装置とそ
の安定化に必要なフィードバック回路を装備することによって、既存のネットワ
ークが複雑化し、その信頼性が低下する。必要とされるスペクトル解像度を有す
る次世代のＷＤＭ装置に係わる見積コストは、地中に追加的なファイバを埋設す
るよりも高くつく。
【０００５】 帯域幅の有効利用によってマルチチャネル通信効率を改善するための最近の試
みにおいて、コヒーレンス分割多重化（ＣＤＭ）方法が、部分コヒーレント光の
位相変調の使用に基づいて提案されている。ＣＤＭ法は、光路一致白色光干渉法
を利用しており、これは、広範な光スペクトルを有する光源の物理学で周知であ
る。発光ダイオード（ＬＥＤ）およびエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦ
Ａ）は、短コヒーレンス長ＬC〜２０−３０μｋを有する光源である。［例えば
、Ｈ．Ｌｅｆｅｖｒｅ，Ｔｈｅ Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ
（光ファイバジャイロスコープ），Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ，Ｂｏｓｔｏｎ，
１９９３、および、その参考文献を参照］。同じＬＥＤまたはＥＤＦＡからの２
つの光線は、これらの光線の光路差が数コヒーレント長未満であれば干渉する。
光路一致干渉法において、第１の干渉計により生成された２つの光線の光路差Ｌ
＞＞ＬCは、第２の干渉計によって補償される。光ファイバにより接続された２
つの一致干渉計が、信号伝送に使用される。
【０００６】 光路一致干渉法を用いたマルチチャネル伝送のＣＤＭ法が、理論的、実験的な
精細分析の主題とされてきた。この分析の結果は、数多くの刊行物［Ｗｅｎｔｗ
ｏｒｔｈ，Ｒ．Ｈ．ｅｔ ａｌ．“Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｎｏｉｓｅ ｐｅ
ｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｉ
ｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ（コヒーレンス多重化干渉セン
サの理論的ノイズ性能）”，Ｊ．ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ １９８９，７，ｐ．９４１； Ｙｏｕｎｇｑｕｉｓｔ，Ｒ．Ｃ．ｅｔ ａ
ｌ．“Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｓｅｎｓｉｎｇ
ｂｙ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｓｙｎｔｈｓｉｓ（コヒ
ーレンス合成の使用による選択的干渉検出）”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ
，１９８７，１２，ｐ．９４４； Ｂｒｏｏｋｓ，Ｊ．Ｌ．ｅｔ ａｌ．“Ｃｏ
ｈｅｒｅｎｃｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｏｆ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ
ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ（光ファイバ干渉センサのコ
ヒーレンス多重化）”，Ｊ．ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
，１９８５，ＬＴ−３，ｐ．１０６２］に記載されている。遠隔通信でのＣＤＭ
使用の提案は、米国特許５，５４９，６００、５，４７３，４５９、５，６０６
，４４６に開示されている。
【０００７】 引用文献および特許に記載されている方策の１つによれば、図１に示すように
、短コヒーレンス長光源１からの光線が、Ｎ個の一次チャネル光線２へと分離さ
れる。送信側３において、送信側マッハ・ツェンダー干渉計４は、Ｎ個の一次チ
ャネル光線２のそれぞれに、光遅延Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3、．．．ＬNを導入し、各光遅
延は、数コヒーレンス長ＬCを越える。各チャネル光線は位相変調され、Ｎ個の
光線は全て結合され、光ファイバ５を介して送信される。受信側６においては、
送信光が、Ｎ個の二次光線に分離され、光遅延が受信側干渉計７によって補償さ
れ、位相変調が干渉計７の出力側に接続された検出装置８によって検出される。
【０００８】 図１のＣＤＭ通信システムは、実用を阻むような深刻な問題点を抱えている。
この問題点は、部分コヒーレント光干渉法に付随する干渉縞の低可視度に関わる
。図２に、スペクトル範囲△ωにおいて均一なスペクトルを有する光源の部分コ
ヒーレント光の２つの干渉パターンを示す。干渉パターン１は、基準パターンで
あり、同一光源からの２つの干渉光線に対する位相(の関数としての強度を示し
、干渉パターン２は、５つのチャネルを有するＣＤＭシステムのチャネル干渉パ
ターンである。各干渉パターンは、干渉パターン１および２に対してそれぞれ０
および−５０ｒａｄの搬送波位相または中心位相と、干渉縞可視度が測定可能な
位相範囲とを有する。この位相範囲は、幾つかのコヒーレンス長の光路の差に相
当し、図２の干渉パターン１，２については約３０ｒａｄである。２つの干渉光
線が最も簡単な場合であっても、干渉縞可視度γは、γ＝（Ｉmax−Ｉmin）／（
Ｉmax＋Ｉmin）（式中、Ｉmaxは(＝０で測定した強度、Ｉminは(＝±πで測定し
た強度）であり、１００％未満である。５チャネルシステムに関して、変調前に
光源出力が５つの等しい成分に分割される場合（図１参照）、干渉縞可視度は、
動作ＣＤＭチャネルの１つのパターンである干渉パターン２によって示すように
４０％未満である。このチャネルの搬送波位相は、(1〜５０ｒａｄ、すなわち約
８中心波長である。図２には示されていない他のチャネルの干渉パターンは、よ
り大きな位相シフト（例えば、１００ｒａｄ、１５０ｒａｄなど）と、同様の干
渉縞可視度を有する。５つのチャネルのそれぞれに関して、最大光強度の２０％
しか信号伝送に利用されない。干渉パターンがπだけシフトした時に、最大信号
が検出される。Ｎチャネルシステム（Ｎはチャネル数）の各チャネルで検出され
る信号は、最大光強度の２／Ｎ2を越えることはない。
【０００９】 ＣＤＭシステムにおける信号対ノイズ比は、カリフォルニア州スタンフォード
のスタンフォード大学のＨ．Ｊ．Ｓｈａｗ教授グループによって徹底的に研究さ
れている。この様な研究の結果は、博士論文［Ｒ．Ｈ．Ｗｅｎｔｗｏｒｔｈ，Ｏ
ｐｔｉｃａｌ Ｎｏｉｓｅ ｉｎ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｙｓｔ
ｅｍｓ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓｔｒｏｎｇｌｙ Ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ Ｐ
ａｔｈｓ（非常に不均衡な光路を含む干渉システムにおける光学ノイズ），Ｓｔ
ａｎｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９８８］と上記の引用文献に記載され
ている。図１のＣＤＭシステムは、同様の容量のＴＤＭまたはＷＤＭシステムよ
りも信号対ノイズ比が低く、したがって、ＴＤＭまたはＷＤＭシステムと比較し
て潜在的な長所が全くないことが分かった。
【００１０】 Ｎチャネルのそれぞれにおいて、インコヒーレント成分すなわち最大強度の（
Ｎ−１）／Ｎ2は、信号を搬送しないが、時間とともに変動し、ノイズを生成す
る。したがって、図１に示す検出システムにおいて、検出装置８の信号対ノイズ
比は、１／Ｎに比例する。Ｎが大きくなれば、この比は、ＴＤＭまたはＷＤＭシ
ステムから通常予測される１／√Ｎよりもはるかに悪化する。 図１の従来のシステムの各受信チャネルにおいて、検出信号は、１つのチャネ
ルのみに関連しているが、検出ノイズは、その他の送信チャネル全てに関連して
くる。この様な検出によって、ＣＤＭシステムは、マルチチャネル伝送において
実践不可能となる。従来のＣＤＭシステムは、１００％近い干渉縞可視度と量子
制限信号対ノイズ比とを必要とする既存の信号チャネル伝送装置と互換性がなく
、したがって、マルチチャネル遠隔通信における実用価値を有さない。
【００１１】
【発明の要旨】
したがって、本発明の目的は、従来技術の問題点を克服し、マルチチャネル遠
隔通信ネットワークでの応用のために、既存の単チャネル送信装置と互換性のあ
る方法およびシステムを提供することである。 本発明のコヒーレンス分割多重化システムは、光信号が伝送される光ファイバ
の透過帯域に相当するスペクトル範囲を有する光源と、複数のコヒーレンス分割
多重化（ＣＤＭ）光信号を生成し、光ファイバを介して伝達するための送信シス
テムと、各ＣＤＭ光信号を選択し、その他全ての非選択ＣＤＭ光信号により生じ
たノイズを光学的に濾波するための受信濾波システムと、各選択ＣＤＭ光信号を
電気信号に変換する検出システムとを備えている。
【００１２】 各ＣＤＭ光信号のために、その干渉パターンを得て、各ＣＤＭ光信号の各干渉
パターンのパラメータを測定し、その他全ての非選択ＣＤＭ信号により生じたノ
イズを光学的濾波によって低減する。本発明のコヒーレンス分割多重化法によれ
ば、複数の各干渉パターンによって特徴付けられる複数のＣＤＭ光信号の光学的
濾波は、微分干渉法を利用することにより実現される。適切な干渉縞可視度を提
供するために、隣接する微分干渉計に適切な位相シフトを与える。微分干渉計は
、Ｓｉウェハ上のガラス製の複数の平面導波路として、または、離隔配置された
一対の回折透過型格子もしくは反射型格子として実現される。本発明の光学的濾
波によって、ＣＤＭ方法およびシステムにおいて、ほぼ１００％干渉縞可視度が
達成され、ＣＤＭ信号対ノイズ比が、最適設計のＷＤＭおよびＴＤＭシステムに
近いものとなる。
【００１３】 本発明のＣＤＭ方法およびシステムは、光源のスペクトル範囲によってのみ制
限される多数のチャネルの伝送と、位相遅延成分の安定性を提供する。 本発明の上記およびその他の目的、特徴、長所は、添付の図面を参照して、以
下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１４】
【好適な実施形態の説明】
上記のように、従来の方法およびシステムのＣＤＭ伝送は、過度なノイズのた
めにＴＤＭおよびＷＤＭと比較して非効率的であった。しかし、これは、主要な
制約ではなく、むしろ、以前に採用されてきた検出方法およびシステムの結果で
ある。 パワーＰ0、中心波長λ、帯域幅△ω＝２πｃ0△λ／λ2（式中、ｃ0は光速）
の光源が、最高容量のＴＤＭ伝送用に指定されている場合、期間τmin＝１／△
ωのフーリエ制限パルスを使用しなければならない。追加的な光学的濾波は必要
ないが、電子フィルタはカットオフ周波数△ωを有するべきである。
【００１５】 同数のＷＤＭチャネルの伝送に同一の帯域幅を用いる場合、周波数範囲△ωは
、薄いスライスに分割され、各チャネルは、それ自体の周波数スライス内で伝送
される。最高容量と最高信号対ノイズ比を提供するために、光学フィルタも電子
フィルタも、帯域幅△ω／Ｎを有さなければならない。 ＣＤＭ法において、伝送パラメータは、ＴＤＭとＷＤＭとの中間であり、各伝
送チャネルに対して、最大光帯域幅△ωを用いるが、各チャネルにおけるビット
レートは△ω／Ｎである。図１の従来のＣＤＭシステムにおいて、各検出装置は
、あるチャネルからの光信号と、全ての伝送チャネルからのノイズとに曝される
。信号対ノイズ比を向上するために、光学的濾波方法およびシステムを導入して
、信号値を保持し、ノイズ帯域幅を狭め、光源からのインコヒーレント成分への
検出装置の暴露を低減しなければならない。
【００１６】 本発明のコヒーレンス分割多重化方法によれば、微分出力光学フィールドは、
１つの特定の位相（チャネルパターン２の(1）における信号測定ではなく、ある
一定の位相差によって分離されたチャネル干渉パターンの幾つかのポイントで測
定され、このチャネルに対する光路の厳密な補償に相当する。位相値の測定は、
２πで分離された干渉パターンのポイントで行われ、図２の縦矢印によって示さ
れている。
【００１７】 図３、図４に、光学的濾波システムの考え得る実施を示す。チャネルパターン
の２つの隣接するポイントに対する微分光学フィールドを測定するために、図３
に示す微分干渉計３０を使用する。微分干渉計３０は、２つのマッハ・ツェンダ
ー干渉計３１，３２を備えている。干渉計３１は、長さｌおよびｌ＋Ｌの２つの
アームを備え、干渉計３２は、長さｌおよびｌ＋Ｌ＋λの２つのアームを備えて
いる。微分出力側３３において、干渉計３１，３２の出力は、位相インバータ３
４を使用して減算され、干渉計３２に対して追加的な位相遅延πを与える。信号
が存在する時、微分干渉計３０の出力は、図２のチャネル干渉パターン２の隣接
する２つの最大値の差分に等しい。信号が存在しない時、微分干渉計３０の平均
出力はゼロである。この実施形態では、非選択光信号により生じたＤＣオフセッ
トを排除することができる。しかし、微分干渉計３０の出力側において完全な状
態のランダムフィールド（ノイズ）が存在する。ノイズを低減するために、適切
な位相遅延（例えば、４π）によって分離された幾つかの微分干渉計を、Ｌ±Ｌ c の範囲において使用してもよい。
【００１８】 新規の光学的濾波システムを有する本発明のＣＤＭシステムの主要図を図４に
示す。広範な光スペクトルを有する光源１から出射された光線は、Ｎ個のチャネ
ル２に分割され、光路差Ｌ1、Ｌ2、．．．ＬNが、それぞれチャネル１、２、．
．．Ｎに導入され、例えば、コヒーレンス分割が確立され、各位相が干渉計４に
よって変調される。コヒーレンス分割光線は、ファイバ５において多重化され、
受信濾波システムに伝送される。ここで、７１１，７１２，７１３．．．７１Ｋ
，７２１，７２２，７２３．．．７２Ｋ，７１Ｋ，７２Ｋ，．．．７ＮＫは、並
列に相互接続され、チャネル干渉パターンにおける微分フィールドを測定する微
分干渉計であり、Ｋは、各チャネル毎の微分干渉計の数であり、光信号は、光受
信装置８によって検出される。
【００１９】 微分干渉計間の相互コヒーレンスを保持するためには、それらの光路の最大差
分は、コヒーレンス長ＬCを越えてはならない。したがって、濾波システム内の
微分干渉計Ｋの総数は、約２ＬC／λである。図４の濾波システムの出力電界は
、 Edet=[E(()-E((+2π)]+[E((+4π)-E((+6π)]+... (1) であり、式中、Ｅdetは検出装置における電界であり、角括弧は、干渉パターン
の第１、第２．．．期間からの微分寄与度を括ったものである。
【００２０】 各チャネルに対して、搬送位相よりも小さな位相を有する微分干渉計は、全て
、同一符号の信号測定値に寄与する。図２は、信号が存在する時、｜(｜＜｜(1
｜に対して、全ての微分寄与度が負であり、測定フィールドは、 Edet=△E(()+△E((+2π)+..-[△E((+π)+△E((+3π)+..]？ES／２ (2) であることを示し、式中、ＥSは信号の電界振幅である。｜(｜＞｜(1｜に対して
、この様な寄与度は、正であり、別のＥS／２を与える。｜(｜＞｜(1｜に対して
は、電界は、図２に示す干渉パターンの最低値において測定されるべきであり、
（２）に追加された結果は、信号振幅ＥSに実質的に等しい図４の光学濾波シス
テムの出力を提供する。
【００２１】 図５に示すように、光源５０からの放射がレンズ５１によって平行光線へと変
換され、導波路システムによって回折される場合、図４の光学濾波システムの構
成は、２つの反射回折格子のシステムと同等である。各導波路の上側と下側とは
、図３の干渉計３１，３２と同じ機能を果たす干渉計である。図５における各導
波路の上側、下側は、隣接する導波路に対してλ／４だけシフトし、反射型にお
いてはπの位相シフトを与える。各連続導波路に長さλ／２が加算され、２πの
位相シフトを与える。追加的な位相シフトを格子中心に導入して、最大信号振幅
を検出するために必要な符号を有するチャネル干渉パターンの最大値と最小値と
からの微分信号を追加する。
【００２２】 濾波機能を果たすために、導波路の代わりに、２つのバルク格子を用いてもよ
い。図５において、第１の回折格子５２および第２の回折格子５３が破線ボック
スの中に示されている。格子５２と５３との距離は、Ｌ±ＬC＞＞ＬCである。 部分コヒーレント光は、ランダムフィールドであり、本発明の方法によれば、
位相範囲の幾つかのポイントにおける干渉パターン測定は、ノイズを低減し、し
たがって、信号対ノイズ比を向上させる。幾つかの位相での同時測定（並列分析
）、または、時間平均化（連続分析）によるノイズ低減の一般的な方策は、ラン
ダムプロセス分析理論において検討されている［例えば、Ａ．Ａ．Ｃｈａｒｋｅ
ｖｉｔｃｈ，Ｓｐｅｃｔｒａ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ（スペクトルと分析）
，４ｔｈ ｅｄ．，Ｍｏｓｃｏｗ，１９６２］。この理論によれば、Ｋ個の独立
した測定に対して、ノイズが１／Ｋ1/2に減少する。しかし、部分コヒーレント
光の干渉パターンにおけるフィールドの値は、全く独立しているわけではなく、
詳細に分析しなければならない。
【００２３】 光源に由来する振幅変動や各強度変動は、図３、図４、図５に示す濾波システ
ムにより全体的に排除される。 位相変動は、光源周波数の過渡的変動によって生じる。部分コヒーレント光源
の出力は、特定の位相と周波数とを有する調和フィールドの短セグメントとして
提供される。位相と周波数とは、セグメント長ＬCに対して一定であると考えら
れる。ＬC〜２０−３０μｋ、中心波長λ＝１．５μｋにおいて、フィールドセ
グメントは、その長さが約１５〜２０波長である。各格子（図５において５２お
よび５３）は、各対の隣接溝（マルチπ格子またはＭπＧ）の間にπ位相シフト
がある２つの従来の回折格子として提供される。ＭπＧ格子として受信側ＣＤＭ
システムを提供することは、性能分析のために有用である。光セグメントの連続
をＭπＧシステムによって分析する時、格子５２，５３によって回折されたラン
ダム波は、相互干渉しない。各格子に対して、出力光学フィールドは、 E=E0[exp(i()+exp(-iπ+2i()+exp(3i()+exp(-iπ+4i()+...] (3) または、加算後には、 E=E0[exp(i()+exp(-iπ+2i()](exp(Ki()-1)/(1-exp(2i()) (4) （式中、ＫはＭπＧ間隔の数）と書き表される。
【００２４】 式（４）から算出されるＭπＧによって回折される平面波の強度は、Ｋ＝１０
の格子に対して位相シフト(＝△（ωｔ）の関数として図６に示されている。第
１の回折最高値は、回折角θ＝λ／４ｈ（式中、ｈは図５の水平方向の格子間隔
）に相当する位相(＝πで生ずる。信号が検出される後方反射（θ＝π／２）に
おいて、フィールド振幅は、格子間隔数Ｋの二乗である１００分の１に減少する
。この分析は、ＭπＧが、非選択ＣＤＭチャネルに属し、検出装置ノイズの原因
となるインコヒ−レント成分の強度を効率よく減少させることを示している。こ
の様に、ＭπＧは、ＷＤＭシステムにおける狭帯域フィルタの性能に機能的によ
く似た光学的濾波を行い、予想されるＣＤＭ信号対ノイズ比性能は、同数のチャ
ネルを有する「理想的な」ＷＤＭシステムのそれと同様である。
【００２５】 例えば、ＬC〜２０−３０μｋを有するエルビウムドープファイバ増幅器など
の光源は、ＭπＧ間隔数２Ｋ〜２ＬC／λ〜３０−４０を必要とする。この様な
Ｋ値により、検出装置に到達し、周波数変動や位相変動の原因となる電界強度が
、３０ｄＢ以上も減少する。信号対ノイズ比を概略的に見積れば、ショットノイ
ズパワー
【００２６】
【数１】
【００２７】 は、周波数変動のみに起因する。光源パワーＰ＝１０ｍＷ、λ＝１．５μｋ、△
ω＝３０ｎｍの場合、信号対ノイズ比は、約５０／Ｎ（式中、Ｎはチャネル数）
である。Ｎ＝１０3チャネルを有するシステムにおいて、インコヒーレント成分
強度の３０ｄＢ低減は、〜１の信号対ノイズ比を与え、これは、同等のパラメー
タを有する仮想ＷＤＭシステムと同程度である。 ＭπＧは、各対のアーム間に適切な搬送波位相遅延を与え、各微分干渉計の隣
接セル間に２πシフトを与えるように、設計、製造される。設計は、チャネル干
渉パターンの両端における信号を測定する微分干渉計の寄与度の符号を変更可能
でなければならない。干渉計アーム長の最大差は、チャネルビットレートに左右
され、２．５Ｇｂｉｔ／ｓｅｃの場合、数センチメートルである。アーム長のこ
の差と必要な製造精度を考慮すれば、少なくとも２つの製造技術、すなわち、ア
レイ導波路格子（ＡＷＧ）用に初期に開発されたリソグラフィ処理およびバルク
格子法が適切である。
【００２８】 ＡＷＧ技術においては、ガラスの薄層をＳｉウェハ上に積層し、ガラスエッチ
ングによって導波路を成形する。 ＭπＧ設計は、ＡＷＧとは大きく異なる。大きな相違は、透過型ではなく、反
射型でＭπＧを実施するのが最適であることである。図７に、考え得るＭπＧの
実施を示す。入力光ファイバ１は、導波路２と連結され、半円状の境界を有する
ガラスキャビティ３へと光を回折させる。偶数の干渉導波路１０，１１を有する
反射型干渉計４が、半円部に配置されている。各導波路対１０，１１は、入力導
波路２から半径方向に距離を置いて配置されており、その距離は、隣接する干渉
対の間で２π位相シフトを生成する半波長λ／２だけ隣接対とは異なっている。
中心干渉対において、導波路１１と１０との長さの差は、長さＬが搬送波位相シ
フトに対応する場合、Ｌ／２に等しい。対の数は、光源スペクトル幅および各コ
ヒーレンス長に左右され、適切なノイズ低減に適合できるように選択される。各
導波路の端部で１００％反射を提供するために、内部全反射型または多層誘電体
コーティングを使用してもよい。他のＭπＧパラメータ（回折角、導波路寸法、
導波路入力部の形状）は、ＡＷＧと同様である。
【００２９】 ＭπＧ設計に応じて、信号は、入力導波路２に戻されて通過し、光サーキュレ
ータ５を介して検出器に至るか、または、偏心受信導波路６に合焦する。後者の
場合、導波路１０，１１の出力は、入力導波路２に中心を有する螺旋カーブに沿
って配置される。 その他の技術的なＭπＧ設計および製造パラメータ（導波路形状、フォトリソ
グラフィ精度、パワーロス、熱安定性他）は、ＡＷＧと同様である。
【００３０】 他の考え得るＭπＧ技術として、バルク格子技術（反射型または透過型）があ
る。図５の破線四角形に示す格子５２，５３を有する反射型格子技術において、
ファイバから回折された光線が、レンズ５０によって平行光線へと視準化され、
Ｌ／２の距離だけ離隔された格子５２，５３によって回折される。反射型格子は
、ガラス基板上に金属ストライプを積層することによって製造され、隣接する各
２つの断片間に適切な位相シフトπを与えるためには、少なくとも２回の積層が
必要である。透過型格子は、ガラスエッチングによって製造される。チャネル中
心位相に対するＭπＧ調節のための特別な整合手段を、このＭπＧ設計で実施し
なければならない。
【００３１】 ＣＤＭ技術は、ＷＤＭの代替であり、最大チャネル数、最大到達距離、信号対
ノイズ比、製造性、信頼性、コストなどのＣＤＭシステムパラメータを、ＷＤＭ
システムパラメータと比較しなければならない。 理論的には、ＣＤＭおよびＷＤＭは、最大チャネル数および信号対ノイズ比に
関しては同等である。しかし、実際において、ＣＤＭは、〜１００を越える多数
のチャネルに対して、ＷＤＭよりも重要な潜在的利点を有する。
【００３２】 ＷＤＭシステムにおいて、最大到達距離は、一連の光増幅器側における最小許
容信号対ノイズ比によって定義される。一般的に、位相変調システムは、振幅変
調システムよりもノイズからの保護が良好であるので、ＣＤＭシステムの性能は
良いはずである。理論的容量のＣＤＭシステムおよびＷＤＭシステムについては
、最大到達距離は同じである。しかし、実用的なＷＤＭシステムにおいては、光
信号を搬送する有効スペクトルよりも通常数倍広いフィルタ透過帯域内に、ノイ
ズが取り込まれてしまう。本発明のＣＤＭシステムにおいて、増幅器ノイズは、
他のチャネルのノイズと全く同じ割合で減少し、実際には、ＣＤＭシステムは、
その最大到達距離の絶対値が広スペクトルフィルタを有するＷＤＭよりも長い。
【００３３】 ＭπＧ技術の開発に伴い、ＣＤＭシステム製造が、ＷＤＭシステム製造よりも
大幅に安価になる。ＣＤＭシステムにおいて、光増幅器や発光ダイオードが光源
として使用される。この様な光源は、物理的に同じ場所に装備されている多数の
チャネル用の光パワーを提供する。波長高安定性を有するレーザの必要がない。
ＣＤＭシステム変調器は、ＷＤＭシステム用に現在使用されているものと同様で
ある。受信装置、ＷＤＭおよびＣＤＭのＡＷＧ、ＭπＧシステムの製造は、技術
的には同様である。したがって、新規なＣＤＭ方法およびシステムは、既存の技
術による理論容量を実現する一方、高信頼性であり、低コストである。
【００３４】 現時点で本発明の好適な実施形態と考えられるものについて図示、説明してき
たが、添付の請求項に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、層間通信シス
テムや、ネットワーク構成におけるその実施において、様々な変更、修正を行え
ることは、当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のＣＤＭシステムの概略図を示す。
【図２】 部分コヒーレント光の干渉パターンを示す。
【図３】 本発明の微分干渉計の概略図である。
【図４】 本発明のＣＤＭ伝送システムのための概略図である。
【図５】 マルチπ格子の原理を示す。
【図６】 マルチπ格子回折効率のプロットである。
【図７】 マルチπ格子のリソグラフィ設計を示す。

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光ファイバを介した光信号のマルチチャネル伝送のためのコヒーレンス分割多
    重化（ＣＤＭ）システムであって、 前記光ファイバの透過帯域に相当する光スペクトル範囲を有する光源と、 複数のＣＤＭ光信号を生成し、伝送するための送信システムと、 前記複数のうちの各ＣＤＭ光信号を選択し、前記各ＣＤＭ光信号の光干渉パタ
    ーンを得て、その他全ての非選択ＣＤＭ光信号により生じたノイズを光学的に濾
    波するための受信濾波システムであって、各干渉パターンが搬送波位相と位相範
    囲を有する受信濾波システムと、 前記各選択ＣＤＭ光信号を検出し、前記各選択ＣＤＭ光信号を各電気信号に変
    換する検出システムとを備えているコヒーレンス分割多重化システム。
  2. 【請求項２】 前記受信濾波システムが、各ＣＤＭ光信号の各位相範囲内の複数の位相におい
    て前記各光干渉パターンのパラメータを測定するために、並列に相互接続された
    複数の微分干渉計をさらに備えている請求項１のコヒーレンス分割多重化システ
    ム。
  3. 【請求項３】 前記微分干渉計の光路間の最大差が、前記光源の少なくとも１コヒーレンス長
    を越える請求項２のコヒーレンス分割多重化システム。
  4. 【請求項４】 前記微分干渉計の光路間の最小差が、前記光源の１中心波長と等しい請求項３
    のコヒーレンス分割多重化システム。
  5. 【請求項５】 前記各微分干渉計が、所定の位相差だけ離れている第１および第２の位相にお
    ける前記各光干渉パターンの前記パラメータを測定し、前記測定値パラメータを
    互いに減算することによって前記第１および第２の位相における測定値の差を得
    るための少なくとも１対の干渉計を備えている請求項４のコヒーレンス分割多重
    化システム。
  6. 【請求項６】 前記所定の位相差が、２πである請求項５のコヒーレンス分割多重化システム
    。
  7. 【請求項７】 前記微分干渉計が、複数の平面導波路で構成されている請求項６のコヒーレン
    ス分割多重化システム。
  8. 【請求項８】 前記平面導波路が、シリコンウェハ上のガラス導波路である請求項７のコヒー
    レンス分割多重化システム。
  9. 【請求項９】 前記濾波システムが、直列に接続された、入力ファイバと、入力導波路と、入
    力キャビティとをさらに備え、前記複数の平面導波路が、前記入力キャビティと
    、出力キャビティと、出力導波路とに接続されている請求項８のコヒーレンス分
    割多重化システム。
  10. 【請求項１０】 前記濾波システムが、直列に接続された、入力ファイバと、入力導波路と、入
    力キャビティとをさらに備え、前記複数の平面導波路が、前記入力キャビティに
    接続されている請求項８のコヒーレンス分割多重化システム。
  11. 【請求項１１】 前記各平面導波路が、約１００％の後方反射を提供するコーティングを備えて
    いる請求項１０のコヒーレンス分割多重化システム。
  12. 【請求項１２】 前記濾波システムが、前記入力ファイバ内に配置された光サーキュレータをさ
    らに備えている請求項１０のコヒーレンス分割多重化システム。
  13. 【請求項１３】 前記濾波システムが、出力導波路をさらに備えている請求項１０のコヒーレン
    ス分割多重化システム。
  14. 【請求項１４】 前記濾波システムが、少なくとも１対の離隔配置された回折格子で構成されて
    いる請求項５のコヒーレンス分割多重化システム。
  15. 【請求項１５】 前記回折格子が、透過型格子である請求項１４のコヒーレンス分割多重化シス
    テム。
  16. 【請求項１６】 前記回折格子が、反射型格子である請求項１４のコヒーレンス分割多重化シス
    テム。
  17. 【請求項１７】 前記各ＣＤＭ光信号の各位相範囲内の少なくとも２つの位相において、前記各
    光干渉パターンのパラメータを測定するための少なくとも１つの回折干渉計を備
    え、前記２つの位相がπだけ離れている請求項１のコヒーレンス分割多重化シス
    テム。
  18. 【請求項１８】 光透過性媒体を介して複数の通信チャネルを伝送するためのコヒーレンス分割
    多重化方法であって、 複数の光搬送波を生成するための光パワー源を提供する工程と、 前記各光搬送波間で位相を遅延させる工程と、 通信チャネルによって前記各光搬送波を変調する工程と、 前記光透過性媒体を介して前記搬送波を伝送する工程と、 前記各搬送波を選択、受信し、前記各搬送波の干渉パターンにおいてパワー分
    布を得る工程と、 他の搬送波に関わる光パワーを低減することによって、前記各搬送波の前記パ
    ワー分布を光学的に濾波する工程と、 前記各搬送波に関わる光信号を電気信号に変換することによって、前記各選択
    濾波搬送波を検出する工程とからなる方法。
  19. 【請求項１９】 前記光学的濾波工程は、前記各搬送波の前記干渉パターンに関わる検出ＤＣ光
    パワーを除去する工程と、前記パワー源の振幅変動に関わる検出光パワーを除去
    し、前記パワー源の位相変動に関わる検出光パワーを低減する工程とをさらに含
    む請求項１８のコヒーレンス分割多重化方法。
  20. 【請求項２０】 前記各搬送波の前記干渉パターンのＤＣ成分と振幅変動に関わる検出光パワー
    を除去する工程と、前記各搬送波の前記干渉パターンの位相変動に関わる検出パ
    ワーを低減する工程とが、微分干渉法を利用することによって提供される請求項
    １９のコヒーレンス分割多重化方法。
  21. 【請求項２１】 光ファイバを介した光信号のマルチチャネル伝送のためのコヒーレンス分割多
    重化方法であって、 前記光ファイバのスペクトル透過帯域に相当する所定のスペクトル範囲を有す
    る光線を生成する光源を提供する工程と、 伝送システムを介して前記光線を伝達する工程と、 複数のコヒーレンス分割光信号を生成する工程であって、前記複数のうち各コ
    ヒーレンス分割光信号が所定の帯域幅を有する工程と、 前記コヒーレンス分割光信号を多重化して、複数のＣＤＭ光信号を提供する工
    程と、 前記光ファイバに沿ってＣＤＭ光信号を伝達する工程と、 各ＣＤＭ光信号を選択する工程と、 前記各選択ＣＤＭ光信号の干渉パターンを得る工程と、 複数の位相における前記各干渉パターンのパラメータを測定し、各ＣＤＭ光信
    号に関して前記パラメータの値を処理することによって、前記ＣＤＭ光信号を光
    学的に濾波する工程と、 複数の位相における前記干渉パターンのパラメータを測定し、各ＣＤＭ光信号
    に関して前記パラメータの値を処理することによって、ノイズを光学的に濾波す
    る工程と、 前記選択ＣＤＭ光信号を検出する工程とを含む方法。
  22. 【請求項２２】 前記パラメータを測定する工程が、前記干渉パターンの強度を測定する工程を
    さらに含む請求項２１のコヒーレンス分割多重化方法。
  23. 【請求項２３】 前記光線の前記所定のスペクトル範囲が、中心波長を有する請求項２１のコヒ
    ーレンス分割多重化方法。
  24. 【請求項２４】 前記光線を伝達する工程が、前記光線を複数の一次光線へと分離する工程をさ
    らに含む請求項２３のコヒーレンス分割多重化方法。
  25. 【請求項２５】 前記ＣＤＭ光信号生成工程が、 前記複数のうち各一次光線の光路に沿って２つのアームを有する干渉計を提供
    する工程と、 前記２つのアーム間に光路差を提供する工程であって、前記光路差の最小値が
    、前記光源の数コヒーレント長を超え、前記光路差の最大値が、２ｃ0／Ｇ（式
    中、ｃ0は前記光ファイバ中の光速であり、Ｇはチャネルビットレートである）
    を越えないようになっている工程と、 前記アームの１つを透過する一次光線の一部を位相変調する工程とを含む請求
    項２１のコヒーレンス分割多重化方法。
  26. 【請求項２６】 各ＣＤＭ光信号を選択し、各ＣＤＭ光信号の干渉パターンを得る工程が、前記
    伝送された複数のＣＤＭ光信号を複数の二次光線へと分離して、前記各一次光線
    に導入される光路差を補償する複数の干渉計を介して各二次光線を通過させるこ
    とによって提供される請求項２１のコヒーレンス分割多重化方法。
  27. 【請求項２７】 各ＣＤＭ光信号および光ノイズを濾波する工程が、複数の位相において二次光
    線の前記干渉パターンのパラメータを測定して、各ＣＤＭ光信号に関する前記パ
    ラメータの値を処理することによって提供される請求項２６のコヒーレンス分割
    多重化方法。
  28. 【請求項２８】 前記選択ＣＤＭ光信号を検出する工程が、前記二次光線の干渉パターンの前記
    パラメータの処理値を電気信号へと変換することによって提供される請求項２７
    のコヒーレンス分割多重化方法。
  29. 【請求項２９】 前記二次光線の光路間の最大差が、前記光源の少なくとも１コヒーレンス長を
    越える請求項２７のコヒーレンス分割多重化方法。
  30. 【請求項３０】 前記二次光線の光路間の最小差が、前記光源の１中心波長と等しい請求項２７
    のコヒーレンス分割多重化方法。
  31. 【請求項３１】 前記複数の位相が、前記干渉パターンの極値およびゼロで決定され、前記極値
    が、前記干渉パターンの最大値および最小値である請求項２７のコヒーレンス分
    割多重化方法。
  32. 【請求項３２】 前記値を処理する工程は、前記複数の位相の隣接位相に関連する測定パラメー
    タの値を減算することを含む請求項２７のコヒーレンス分割多重化方法。
  33. 【請求項３３】 前記隣接する位相は、２πだけ異なる請求項２７のコヒーレンス分割多重化方
    法。
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