JP2003060580A - 光通信システム - Google Patents
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Abstract
おいて、費用効果の点で有効な、高ビットレート長距離
分散制御光伝送システムを実現する。 【解決手段】 高ビットレート長距離分散制御光伝送シ
ステムにおける符号化方式として、従来のオンオフキー
イング(OOK)ではなく、位相シフトキーイング(P
SK)または差分位相シフトキーイング(DPSK)が
使用され、信号フォーマットは、NRZではなく、RZ
である。こうして、光強度に関しては、あらゆるビット
スロットにおいて常に1つのRZパルスが存在する。シ
ステムは、WDMまたは密波長分割多重(DWDM)構
成において、複数の波長を有する複数のチャネルを組み
合わせることができる。分散制御は、分散制御ソリト
ン、準線形伝送または従来のRZ伝送を使用することに
よるもののような、いくつかの技術を使用して提供する
ことができる。
Description
に、波長分割多重(WDM)システムを含む高ビットレ
ート(例えば、10Gbit/sないし40Gbit/
s)長距離(ないし超長距離)光通信システムで使用可
能な、位相シフトキーイング(PSK)または差分位相
シフトキーイング(DPSK)を用いたRZ(return to
zero)パルスの分散制御伝送のための装置に関する。
/s)光伝送システムの開発は、隣接する重なり合うビ
ット間のチャネル内相互位相変調(XPM)のような主
としてタイミングジッタにつながるチャネル内非線形障
害と、主として振幅ゆらぎにつながるチャネル内四波混
合(FWM)とによって妨げられている。長距離(L
H:long haul)および超長距離(ULH)伝送ととも
に高ビットレートを使用することは、特に複数のチャネ
ルがWDMまたはDWDMシステムで組み合わされる環
境においては、悪化した非線形障害および増大した増幅
器自然放出(ASE)雑音の両方によって、さらに困難
となっている。これは、パルスが光ファイバ路を通って
送信機から受信機へ伝搬する際のパルスの劣化と、チャ
ネル間XPMおよびFWMのようなさまざまな好ましく
ないチャネル間効果につながるからである。
線形性の効果の低減ないし除去に向けたさまざまな技術
が試みられているが、これらの技術の成功の程度には差
がある。いくつかの技術は、単波長チャネルシステムで
有効であることがわかっているが、多数の異なる波長が
単一の光伝送媒体で組み合わされるWDMシステムの場
合には有効でない。他の技術には、光通信媒体における
分散制御とともに、送信機および受信機におけるさまざ
まな符号化技術の組合せを利用するものがある。しか
し、現在までのところ、複数のWDMチャネルの長距離
(ないし超長距離)伝送において、費用効果の点で有効
であることがわかっている解決法はない。
トレート長距離分散制御光伝送システムにおける符号化
方式として、従来のオンオフキーイング(OOK)では
なく、位相シフトキーイング(PSK)または差分位相
シフトキーイング(DPSK)が使用され、信号フォー
マットは、NRZではなく、RZである。こうして、光
強度に関しては、あらゆるビットスロットにおいて常に
1つのRZパルスが存在する。システムは、WDMまた
は密波長分割多重(DWDM)構成において、複数の波
長を有する複数のチャネルを組み合わせることができ
る。分散制御は、分散制御ソリトン、準線形伝送または
従来のRZ伝送を使用することによるもののような、い
くつかの技術を使用して提供することができる。
データを表す電気信号は差分符号化され、高ビットレー
ト(例えば、40Gbit/s)RZ光パルスのストリ
ームの位相を変調するために使用される。多数のこのよ
うなデータストリームが波長分割マルチプレクサで組み
合わされ、分散制御ファイバスパンを通じてリモート受
信機へ送信される。受信機では、信号は波長分割分離化
され、各波長チャネル内の符号化データがDPSK受信
機により復元される。DPSK受信機は通常、遅延復調
器および平衡検波器からなる。
ず、直接に、RZ光パルスのストリームの位相を変調す
るために使用される。
ザパワーは、パルス伝送がソリトンからなるように制御
することが可能である。
のPSKフォーマット)の使用により、XPM障害は、
強度パターン依存性を除去することによってほとんど除
去される。OOKに比べて、DPSKのほうが、特に平
衡受信機が使用されるときには受信機感度がより高いた
め、ASE雑音に対して耐性があり、より低い光パワー
での伝送の余地がある。また、このことは、FWM障害
を低減し、例えば、パワーの3dBの低減が、FWM効
果の6dBの低減につながる。
る。 ASE(amplifier spontaneous emission) 増幅器自然
放出 ASK(amplitude shift keying) 振幅シフトキーイン
グ DMS(dispersion managed soliton) 分散制御ソリト
ン DPSK(differential phase shift keying) 差分位
相シフトキーイング WDM(wavelength division multiplexing) 波長分割
多重 FWM(four wave mixing) 四波混合 OOK(on-off keying) オンオフキーイング PMD(polarization mode dispersion) 偏光モード分
散 PSK(phase shift keying) 位相シフトキーイング QPSK(quadrature phase shift keying) 4値(直
交)位相シフトキーイング SPM(self-phase modulation) 自己位相変調 ULH(ultra-long haul) 超長距離 XPM(cross phase modulation) 相互位相変調
する米国特許出願(発明の名称:Long Haul Optical Co
mmunication System)、発明者:Xiang Liu, Xing Wei a
nd Chris Xu)もまた考慮されるべきである。
び位相シフトキーイング(PSK)の分散制御伝送を使
用するために、本発明の原理に従って構成された、高ビ
ットレート(例えば、40Gbit/s)長距離(また
は超長距離)波長分割多重(WDM)光通信システムの
一実施例のブロック図を示す。図1は、図2を参照して
読まれるべきである。図2は、図1のシステムを用いて
伝送されるサンプルデータと、システム内のさまざまな
点に存在する信号を示す。
送信機は、連続波(CW)分布帰還(DFB)レーザ1
01を有し、その出力は、パルスカーバ(pulse carver)
103に入力され、それによって成形される。これによ
り、パルスカーバ103の出力(図2で波形2aとして
示す)は、均一な振幅の、実施例では高ビットレート
(例えば、10Gbit/sまたは40Gbit/s)
を有する、RZ(returnto zero)光パルスのストリーム
となる。ここで、パルスカーバ103、すなわち、連続
波レーザ信号を処理してRZパルス信号を生成するとい
う目的は、CW−DFBレーザ101の代わりにパルス
レーザを使用するというような、代替要素によって達成
されることも可能である。別法として、RZ信号は、以
下で説明するPSK変調器105内で生成されることも
可能である。
は、PSK変調器105の第1入力に加えられる。PS
K変調器105は、例えば、その伝送零点でバイアスさ
れたLiNbO3位相変調器あるいはLiNbO3マッ
ハ・ツェンダ変調器である。送信機100から、全体的
に150で示されるリモート受信機へ送信されるデータ
(例えば、図2bに示される0と1の列)は、データ入
力111から発信され、あるいは、データ入力111で
入手可能である。図2bのデータは、図2cに示される
電気信号に対応し、これは、PSK変調器105の第2
入力に加えられる。その結果、PSK変調器105の出
力の位相は、入力データに従って変動し(変調され)、
図2dに示す電界を有するPSK信号を生成する。な
お、この電界の特性は、各ビット区間について、電界値
が0から始まりかつ0で終わることに注意すべきであ
る。データが「1」である場合、対応するビット区間の
ほぼ中点における電界値は正であり、位相0を表す。こ
れに対して、データが「0」である場合、対応するビッ
ト区間のほぼ中点における電界値は負であり、位相πを
表す。
は、送信機100と同様に構成されているが異なる波長
で動作する他の複数の送信機を含むWDMシステムにお
ける1つのチャネルを表すことが可能である。WDM環
境では、PSK変調器105の出力は、波長分割マルチ
プレクサ120の入力に加えられ、その出力は、全体的
に130で示される長距離または超長距離分散補償伝送
媒体に結合される。この伝送媒体は、光ファイバにおい
て、および、システムコンポーネントにおいて受ける損
失を補償するための増幅機構を含む。さまざまな光増幅
器が、所望のレベルの増幅を達成することができる。そ
のような光増幅器は、ディスクリート型であっても分散
型であってもよく、EDFA、ラマン増幅、パラメトリ
ック増幅などのコヒーレント増幅のようなさまざまな技
術を使用可能である。以下でさらに詳細に説明するよう
に、分散補償のためのいくつかの技術が使用可能であ
る。
長が存在する場合、それらは、WDMデマルチプレクサ
140で分離され、WDMデマルチプレクサ140は、
もとのデータを復元するために、それぞれの個々の波長
を別々のPSK受信機(実施例では、受信機150)に
入力する。必要であれば、異なる波長チャネル間の不均
一な残留分散およびPMDのそれぞれの効果を低減する
ために、デマルチプレクサ140と受信機150の間
に、可変波長分散補償器および偏光モード分散(PM
D)補償器を挿入することも可能である。
様であるが、位相シフトキーイングの代わりに差分位相
シフトキーイングを使用するシステムのブロック図を示
す。図4aに示されるように、同じサンプルデータが図
3のシステムを用いて送信され、図4bに示されるその
電気的表現もまた同じである。しかし、この構成では、
データはまず、送信機300内の差分符号器313に入
力される。差分符号器313は、図4cに示される出力
を生成するように構成される。図4cは、各遷移
(「0」から「1」へ、または、「1」から「0」への
いずれか)がもとのデータストリーム中のディジタル
「0」に対応し、各非遷移(ビットが前ビットと同じま
まである)がもとのデータストリーム中のディジタル
「1」に対応するという、差分符号化データを示す。次
に、差分符号化信号は、光パルスの位相を変調するため
に使用される。このような位相変調は、その伝送零点で
バイアスされたLiNbO3位相変調器あるいはLiN
bO3マッハ・ツェンダ変調器のいずれでも実現可能で
ある。図3の差分符号器313からの出力に対応する図
4cの電気的波形は、PSK変調器105に入力され、
その出力電界は図4eに示される。この場合も、変調器
105からのこの波形出力は、あらゆるビット区間の最
初に0に戻るRZ波形であることに注意すべきである。
差分データは、光信号の位相に関してのみ符号化され、
信号の強度プロファイルは不変である。すなわち、それ
は依然としてRZ信号である。図1の構成の場合と同
様、送信機300の出力は、分散補償媒体130を通じ
てリモート受信機へ送信される前に、WDMマルチプレ
クサに入力されることが可能である。
ように、経路長差が1ビット期間に対応する2本のアー
ム503、505を有する遅延復調器501を有する。
PSK信号は、両方のアームに入力され、遅延信号と非
遅延信号が組み合わされると、その出力が、干渉のタイ
プに応じてデータまたは反転データを表すようにされ
る。復調器501の出力は、ついで、平衡検波器504
に送られる。平衡検波器504は、例えば、1対のダイ
オード555および差動増幅器556を有し、検波器5
04の出力は、データ出力508において利用可能とな
る。
補償はさまざまな方法で実現可能である。例えば、自己
位相変調(SPM)を分散で補償することによって、ま
た、「パルスブリージング(pulse-breathing)」の制御
によるチャネル内パルス相互作用を除去することによっ
て、非線形障害を低減するように設計された、分散制御
ソリトン(DMS)を使用することによるものような方
法がある。これは、送信機と受信機の間で複数のファイ
バスパン(各スパンは、負および正の分散のファイバを
有する連続する領域からなる)を使用することにより実
現可能である。図6に示すように、このような伝送装置
は、例えば、等しい長さのスパン610−1、610−
2、610−3などの列からなり、各スパンは、長さL
1で正の分散D1の第1領域と、連続する長さL2で負
の分散D2の第2領域とからなる。
送媒体の分散対距離の分散マップおよびプロットをそれ
ぞれ図6aおよび図6bに示す。図6bに示すように、
ファイバに沿った距離がスパン610−1内でスパンの
最初から第1領域と第2領域の間の遷移点に向かって増
大するにつれて、累積分散は線形に増大するが、第2領
域内では、分散は逆転し、累積分散は線形かつ急激に減
少して、ほとんど0レベルに戻る。分散補償は、その後
のスパン610−2、610−3などでも同じように繰
り返される。
は有利である。その理由は、異なるWDMチャネルにお
けるソリトン間の衝突は依然として光通信媒体130内
で起こるが、各WDMチャネルは同一の均一な強度パタ
ーンを有するため、衝突はすべてのソリトンについて同
じであるからである。衝突の正味の効果は、ソリトン到
着時刻の均一なシフトである。したがって、タイミング
ジッタは生じない。
式のRZ分散制御が使用されるときに、分散補償光通信
媒体を通じて受ける分散の程度を示す図である。分散制
御ソリトンの場合、SPMが残留スパン分散を補償する
ため、曲線701に示されるように、実質的な正味の分
散は、媒体の全長(x軸)を通じてほぼ一定である。他
の形式のRZ分散制御の場合、曲線702に示されるよ
うに、累積線形分散は緩やかに変化し、後分散補償80
2によって補償される。
性能を最適化するためには、距離に依存する前補償およ
び後補償を使用することも可能である。その場合、図8
に示すように、光伝送媒体またはセグメントの開始部分
に位置する前補償器は、第1補償歪み801を導入する
ように設定される一方、光伝送媒体またはセグメントの
終了部分に位置する後補償器は、第2補償歪み802を
導入するように設定される。その結果、スパンまたはセ
グメントにわたって導入される歪みは実質的に除去され
る。
n)(準線形伝送(quasi-linear transmission)というこ
ともある)として知られるもう1つの技術もまた、本発
明における分散制御のために使用可能である(例えば、
米国特許出願第09/372486号(出願日:199
9年8月12日、発明者:R.-J. Essiambre, B. Mikkel
sen, and G. Raybon、発明の名称:Modulation format
with low sensitivityto fiber nonlinearity)参
照)。この技術は、ファイバに沿って伝搬するにつれて
非常に急速に分散する非常に短い(ビット期間に比べ
て)パルスを使用する。同じ効果は、大きい前分散補償
を使用することによっても達成することができる。これ
が有効であるのは、このようなパルスの経路平均ピーク
パワーが小さいため、通常のパルスの場合よりも光非線
形性に対して耐性があるからである。
て多少詳しく説明すると有益であろう。例えば、WDM
DMS DPSKシステムは多数のスパンを有し、各
スパンは、100kmのTWRSまたはLEAFファイ
バ(D=4ps/km/nm)と、DCF(D=−10
4ps/km/nm)からなる分散補償モジュールとか
らなる。DCFの長さは、設計された経路平均分散(D
avg)を与えるように選択される。ソリトンパルス列
は、33%のデューティサイクルを有する。チャネル間
隔は50GHzである。FWHMが40GHzの4次ガ
ウシアンフィルタが、チャネルを分離化するために使用
され、DPSK DMSの検波方式は、1ビット遅延差
分直接検波方式であった。FWHMが0.7ビットレー
トの5次ベッセルフィルタが、後検波に使用されてい
る。
れわれは、システムの分散が、特に40Gbit/s以
上の高ビットレート(これは、以前には、WDMチャネ
ルの一定の強度プロファイルを破壊すると考えられてい
た)で、DPSK−RZの利益をそれほど損なわないこ
とを確認した。われわれは、チャネル内XPM効果がD
PSK−RZで大幅に低減され、チャネル間XPMおよ
びFWM効果はこのようなシステムで最初は小さいこと
を見出した。したがって、DPSK−RZは、分散の存
在下でも有効であり続ける。実際、われわれの数値シミ
ュレーションによれば、従来のRZシステムに比べて、
40Gbit/sにおけるシステムの到達距離および性
能に関して大幅な改善が示されている。
化の有効な利用は、当業者に現在利用可能な従来のアプ
ローチとは異なる。例えば、単一チャネルPSKシステ
ムにおいてASEおよびSPMにより引き起こされる位
相雑音に関する初期の研究(J. P. Gordon and L. F. M
ollenauer, Optics Letters, Vol.15, p.1351 (1990)、
参照)は、LHおよびULH光伝送システムにおいてP
SKに対して厳しい制約を課したため、現実的な選択肢
としてのこの符号化方法の応用を阻んでいた。従来のソ
リトンについてのさらなる理論的研究および数値シミュ
レーションによれば、長い伝送距離における過大な位相
雑音と、位相雑音を制御するために「インライン」フィ
ルタが必要なことが示された(M. Hanna et al., Optic
s Letters, Vol.24, p.732 (1999)、参照)。最近の実
験的研究では(M. Hanna et al.,Electronics Letters,
Vol.37, p.644 (2001)、参照)、従来のDPSKソリ
トンは、約1000kmの誤りなし伝送距離を達成した
が、これはOOKソリトンシステムよりも相当小さい。
しかし、長い到達距離および高いビットレートのWDM
システムに対する現在の需要に鑑み、われわれははじめ
て、長到達距離・高ビットレートWDMシステムに対す
るRZ−DPSKの価値および実現可能性を認識した。
DPSKはWDMシステムに関してすでに提案されてい
るが(M. Rohde et al., Electronics Letters, Vol.3
6, 1483-1484 (2000)、参照)、非線形障害を低減する
ために、あらゆるWDMチャネルで一定強度を得る要求
から、不可避的に、RZ−DPSKではなくNRZ−D
PSKに導かれた。最近になってはじめて、われわれ
が、一定強度は必要でなく、RZ−DSPKはNRZ−
DPSKに比べて、LHおよびULH伝送において、低
減された非線形障害、1次PMDに対する高い耐性、お
よび、より小さいシンボル間干渉のような、重要な利点
を有することを発見した。
トシステムの場合に適用されているが、理解されるよう
に、上記のRZ−DPSK技術は、さまざまな異なるビ
ットレートのシステムや、多くの異なるファイバタイプ
や分散マップを有するシステムでも使用可能である。例
えば、標準的なシングルモードファイバでも満足な性能
が得られる。
数のWDMチャネルの長距離(ないし超長距離)伝送に
おいて、費用効果の点で有効な、高ビットレート長距離
分散制御光伝送システムが実現される。
もので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。尚、特許請求の範囲に記載した参
照番号がある場合は、発明の容易な理解のためで、その
技術的範囲を制限するよう解釈されるべきではない。
キーイング(PSK)の分散制御伝送を使用するため
に、本発明の原理に従って構成された、高ビットレート
(例えば、40Gbit/s)長距離(または超長距
離)波長分割多重(WDM)光通信システムの一実施例
のブロック図である。
ータと、システム内のさまざまな点に存在する信号を示
す図である。
フトキーイングの代わりに差分位相シフトキーイングを
使用するシステムのブロック図である。
ータと、システム内のさまざまな点に存在する信号を示
す図である。
御が使用されるシステムにおける分散マップおよび累積
分散を示す図である。
れる、分散制御ソリトン伝送システムに対する分散対距
離のダイヤグラム図である。
補償を示す図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 送信機からリモート受信機へ入力データ
を送信するように構成された光通信システムにおいて、 前記入力データに従ってRZキャリアの位相を変調する
ことによって前記入力データを符号化する手段と、 前記送信機から前記受信機へ分散制御光伝送媒体を通じ
て前記位相変調されたRZキャリアを送信する手段とを
有することを特徴とする光通信システム。 - 【請求項2】 発信地点からリモート宛先へディジタル
データを送信する装置において、 前記ディジタルデータに従ってRZキャリアの位相を変
調する変調器と、 前記発信地点から前記リモート宛先へ分散制御光伝送媒
体を通じて前記変調器の出力を送信する手段とを有する
ことを特徴とする、発信地点からリモート宛先へディジ
タルデータを送信する装置。 - 【請求項3】 前記変調器はDPSK変調器であること
を特徴とする請求項2記載の装置。 - 【請求項4】 前記分散制御光伝送媒体は、前記伝送媒
体に沿って伝搬するときに非常に急速に分散する、ビッ
ト期間に比べて非常に短いパルスを有する準線形伝送を
使用するように構成されることを特徴とする請求項2記
載の装置。 - 【請求項5】 前記RZキャリアは第1波長を有し、前
記装置は、前記変調器の出力を、異なる波長のRZキャ
リアを有する他の位相変調信号と組み合わせるように構
成された波長分割マルチプレクサをさらに有することを
特徴とする請求項2記載の装置。 - 【請求項6】 前記変調器は、LiNbO3位相変調器
であることを特徴とする請求項2記載の装置。 - 【請求項7】 前記リモート宛先は、前記位相変調信号
から前記入力データを復元する平衡受信機を有すること
を特徴とする請求項2記載の装置。 - 【請求項8】 前記光伝送媒体で生じる損失を補償する
ために前記送信する手段からの光信号出力を増幅する手
段をさらに有することを特徴とする請求項2記載の装
置。 - 【請求項9】 送信機からリモート受信機へ入力データ
を送信する光通信方法において、 前記入力データに従ってRZキャリアの位相を変調する
ことによって前記入力データを符号化するステップと、 前記送信機から前記受信機へ分散制御光伝送媒体を通じ
て前記位相変調されたRZキャリアを送信するステップ
とを有することを特徴とする光通信方法。 - 【請求項10】 RZキャリア信号を生成するステップ
と、 入力データに従って前記RZキャリアの位相を変調する
ステップと、 前記変調するステップで生成された位相変調信号を分散
制御光伝送リンクに送るステップとを有することを特徴
とする光通信方法。
Applications Claiming Priority (4)
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US60/299858 | 2001-06-21 | ||
US09/990964 | 2001-11-21 | ||
US09/990,964 US20030007216A1 (en) | 2001-06-21 | 2001-11-21 | Long haul transmission in a dispersion managed optical communication system |
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