JP2004140833A - 光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】位相変調器を使用することなく、安価のマッハツェンダー型光強度変調器にて光強度及び位相を変調させてキャリア抑制ＲＺ信号を伝送する光伝送システムを提供する。
【解決手段】光搬送波を出力する光源３０と、ＮＲＺ信号に応じて光搬送波を変調するデュオバイナリ光信号生成部１００と、クロック信号に同期してＮＲＺ信号をＲＺ信号に変換するキャリア抑制ＲＺ信号発生部２００とを備えた光伝送システムにおいて、デュオバイナリ光信号生成部は、ＮＲＺ信号をデュオバイナリ信号に変換する符号化器１０１と、このデュオバイナリ信号を受信し、変調器駆動信号を生成する変調器駆動器１０２と、この変調器駆動信号を受信し、光搬送波の位相を変化させて光強度変調するマッハツェンダー型の光強度変調器１０３と、その変調光信号を受信してデュオバイナリ光信号を出力する広帯域通過フィルタ１０４と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

　本発明は、光伝送システムに関し、特に、デュオバイナリ(duobinary)光送信技術を利用してキャリア抑制されたＲＺ(Return to Zero)信号を伝送する光伝送システムに関する。

　一般に、高密度波長分割多重(ＤＷＤＭ：Dense Wavelength Division Multiplexing)光伝送システムは、一つの光ファイバの中に複数の波長の光を通して伝送効率を高めることができ、伝送速度とは無関係に光信号を伝送できることから、伝送量が増加しつつある超高速インターネット網に有用に使用されているシステムである。しかし、急激なデータトラフィックの増加と４０Gbps以上の高速データ伝送の要求のために、既存のＮＲＺを利用した光強度変調に際して５００GHzチャネル間隔以下では急激なチャネル間干渉と歪曲が起こり、伝送容量の拡張に限界がある。また、既存のバイナリ(binary)ＮＲＺ伝送信号のＤＣ周波数成分と変調時に拡散された高周波成分は、光ファイバ媒質における伝播に際して非線形と分散を招くため、１０Gbps以上の高速伝送においては伝送距離に限界がある。

　最近では、光デュオバイナリ技術が、色分散(chromatic dispersion)による伝送距離制限を克服できる光伝送技術として注目されている。デュオバイナリ伝送の主要特長は、伝送スペクトルが、一般的なバイナリ伝送に比べて減少するということである。分散制限システムにおいて、伝達距離は伝送スペクトル帯域幅の自乗に反比例する。これは、伝送スペクトルが１／２に減少すると、伝達距離は４倍になるという意味を持つ。さらに、搬送波周波数がデュオバイナリ伝送スペクトル内で抑えられるので、光ファイバ内で刺激を受けたブリユアン散乱(Brillouin Scattering)による出力光電力に対する制限を緩和させることができる。

　また、バイナリＮＲＺ伝送信号のＤＣ周波数成分を抑制し、１０Gbps以上の高速の中・長距離伝送時に非線形成分と分散特性を抑制するキャリア抑制ＲＺ(carrier suppressed return to zero；ＣＳ−ＲＺ)伝送技術が活発に研究されている。

　図１及び図２はそれぞれ、従来のデュオバイナリキャリア抑制ＲＺシステムの構成例であり、図１は、二つの電極を持つＺ−カット(cut)構造のマッハツェンダー光強度変調器を使用した場合であり、図２は、Ｘ−カット(cut)構造のマッハツェンダー光強度変調器を使用した場合である。

　図１及び図２に示すように、デュオバイナリキャリア抑制ＲＺ(Duo-binary Carrier Suppressed Return-to-Zero：ＤＣＳ−ＲＺ)システムは、キャリア抑制ＲＺ信号発生部１０と、デュオバイナリ光信号生成部２０とからなる。図面中、符号３０は、搬送波を生成出力するレーザー光源である。

　キャリア抑制ＲＺ信号発生部１０は、チャープフリー(chirp free)光強度変調器（マッハツェンダー変調器）１１の入力に、ＮＲＺデータでないビット率(bitrate)の１／２ビット率(２Ｔ)のクロック信号１２を印加してキャリア抑制信号（ＣＳ−ＲＺ）を発生させる。

　デュオバイナリ光信号生成部２０は、差動符号化器(differential precoder)（又はデュオバイナリプリコーダ）２１と電気的低域通過フィルタ２２，２６を通過した３−レベルの電気信号を変調器駆動器２３，２５で増幅し、チープフリー光変調器（マッハツェンダー変調器）２４，２７を駆動する。このようなデュオバイナリ光信号生成部２０は、干渉計型マッハツェンダー光強度変調器の電極構造によってＺ−カット(cut)構造とＸ−カット(cut)構造とに分類できる。

　二つの電極(dual arm)を持つＺ−カット構造のマッハツェンダー変調器では、図１に示すように、両電極にそれぞれ電気的低域通過フィルタ２２，２６及び駆動増幅器２３，２５を備え、両電極に３−レベル信号を印加できるようにする。

　一つの電極(single arm)を持つＸ−カット構造のマッハツェンダー変調器では、図２に示すように、一つの電極に電気的低域通過フィルタ２２及び駆動増幅器２３を備えて一電極に３−レベル信号を印加できるようにする。

　図３Ａは図１及び図２の出力信号（ＤＣＳ−ＲＺ）を示す図で、図３Ｂは出力信号の光スペクトル特性を示す図である。変調された信号のスペクトルを周波数領域から見ると、搬送波(carrier)の周波数成分はなくなり、変調信号の周波数成分が搬送波周波数を中心に上側と下側の２ヶ所に生成されることが分かる。

　しかし、上記従来構造のＤＣＳ−ＲＺシステムでは、キャリア抑制ＲＺ信号を再度デュオバイナリ信号に変換する際、電気的低域通過フィルタを使用して３−レベルの電気信号を発生させるので、低域フィルタの透過特性による伝送品質の依存性と擬似雑音ビットシーケンス(ＰＲＢＳ：Pseudo Random Bit Sequence)の長さに従って特性差が起こり、システムに致命的な問題を引き起こすおそれがある。特に、２^７−１の場合に比べて２^３１−１ＰＲＢＳにおいてシステムマージンが多く減少してしまう。一般に、信号の０−レベルから１−レベルに変換する時の傾きと、１−レベルから０−レベルに減少する時の傾きが異なってくる。しかし、電気的低域通過フィルタを使用するデュオバイナリ光送信器では、異なる傾きを持つ部分が同時に合わせられて０−レベルから１−レベル、１−レベルから０−レベルに遷移が起こるので、出力波形のジッタ(jitter)が大きくなる構造的な欠点を抱いている。これは、Ｚ−カットまたはＸ−カット構造を持つ従来のいずれの構造においても同様に発生し、このような信号パターンの依存性は、実際の光伝送時のシステムマージン上の限界性をもたらす。

　そこで、電気的低域通過フィルタを使用しない構造が提案されている。図４に、位相変調器と広帯域通過フィルタを利用した、従来のデュオバイナリ光信号生成部の他の構成例を示す。図４に示すように、符号化器（デュオバイナリプリコーダ）２１、変調器駆動器２２及びレーザー光源３０の構成は上記の図１及び図２の従来例の構成と同一であるが、電気的低域通過フィルタを使用することなく位相変調器２８と広帯域通過フィルタ２９を使用して図１及び図２のデュオバイナリ信号発生部の出力と類似な特性を持つ信号を発生するようにした構造である。

　しかし、図４に示した従来の技術では、それぞれの擬似雑音ビットシーケンス(ＰＲＢＳ)長に対して一定の伝送品質を保障することはできるが、一般的に使用されない高価の位相変調器を使用しなければならないため、送信装置の価格競争力を弱化させるという問題点がある。

　したがって、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、擬似雑音ビットシーケンス(ＰＲＢＳ)による伝送特性の影響を受けないデュオバイナリ(duobinary)光送信技術を利用したキャリア抑制ＲＺ(Return to Zero)信号を伝送する光伝送システムを提供することにある。

　本発明の他の目的は、電気的低域通過フィルタを使用することなく、高速の中・長距離ＷＤＭ伝送時の非線形及び分散特性を向上させる、デュオバイナリキャリア抑制ＲＺ信号を伝送する光伝送システムを提供することにある。

　本発明のさらに他の目的は、高コストの位相変調器を使用することなく、安価のマッハツェンダー干渉計型光強度変調器にて光強度及び位相を変調させてキャリア抑制ＲＺ信号を伝送する光伝送システムを提供することにある。

　上記の目的を達成するために、本発明は、光搬送波を出力する光源と、ＮＲＺ(None Return to Zero)信号を入力し、そのＮＲＺ信号に応じて光搬送波を変調した変調光信号を出力するデュオバイナリ光信号生成部と、クロック信号に同期してＮＲＺ信号をＲＺ(Return to Zero)信号に変換するキャリア抑制ＲＺ信号発生部とを備えてデュオバイナリキャリア抑制ＲＺ信号を出力する光伝送システムにおいて、デュオバイナリ光信号生成部は、ＮＲＺ信号をデュオバイナリ信号に変換する符号化器と、このデュオバイナリ信号を受信し、変調器駆動信号を生成する変調器駆動器と、この変調器駆動信号を受信し、光搬送波の位相を変化させて光強度変調した変調光信号を出力するマッハツェンダー干渉計型の光強度変調器と、この光強度変調器から変調光信号を受信してデュオバイナリ光信号を出力する広帯域通過フィルタと、を備えたことを特徴とする。

　この光伝送システムにおいて、光強度変調器は、二重電極を有するＺ−カット構造のマッハツェンダー干渉計型光強度変調器、又は、単一電極を有するＸ−カット構造のマッハツェンダー干渉計型光強度変調器のいずれを使用することも可能である。そして、デュオバイナリ光信号生成部の出力信号の特性は、ＮＲＺ信号の印加電圧によって異なる、あるいは、広帯域通過フィルタの帯域幅によって異なるものとすることができる。

　本発明のデュオバイナリキャリア抑制ＲＺ信号を伝送する光伝送システムは、電気的低域通過フィルタを使用することなくデュオバイナリ光信号を生成することによって、擬似雑音ビットシーケンス(ＰＲＢＳ)による伝送特性の影響を受けないため、高速の中・長距離ＷＤＭ伝送時の非線形及び分散特性を向上させることができる。

　また、高額の位相変調器を使用することなく、安価のマッハツェンダー干渉計型光強度変調器で光強度及び位相を変調させてキャリア抑制ＲＺ信号を伝送するため、位相変調器を使用する光伝送システムに比べ、３０〜４０％の価格節減効果が得られ、送信システムの価格競争力を高めることができる。

　以下、本発明の好ましい実施形態を添付した図５ないし図８を参照して詳細に説明する。図面中、同一の構成要素には可能な限り同一の符号を付し、本発明を説明するにあたり、関連した周知技術については適宜説明を省略するものとする。

　図５は、本発明に係るＤＣＳ−ＲＺシステムの好適構成を示す図であり、この例のＤＣＳ−ＲＺシステムは、デュオバイナリ光信号生成部１００とキャリア抑制ＲＺ信号発生部２００とから構成される。本例では、デュオバイナリ光信号生成部１００が前段に位置し、キャリア抑制ＲＺ信号発生部２００が後段に位置した構造について説明するが、これら信号生成（発生）部の位置は変わってもいい。

　図５に示すように、本発明のデュオバイナリ光信号生成部１００は、デュオバイナリの符号化器(precoder)１０１、変調器駆動器（駆動増幅器）１０２、マッハツェンダー干渉計型光強度変調器１０３、光搬送波を出力するレーザー光源３０、及び広帯域通過フィルタ１０４を含めて構成される。デュオバイナリ符号化器１０１、変調器駆動器１０２及び光搬送波を出力するレーザー光源３０の構成及び作用は、図１ないし図３における従来技術のそれと同一である。

　但し、本発明は、干渉計型(Mach-Zehnder)の光強度変調器を利用して光強度の他に位相まで変調させた後、デュオバイナリ光信号を生成するために、マッハツェンダー干渉計型光強度変調器１０３の出力側に広帯域通過フィルタ１０４を備えた点に特徴がある。こうすると、３−レベル信号が発生しないので、ＰＲＢＳ長による信号の特性劣化が起こらない。

　図６Ａないし図６Ｄは、本発明に係るＤＣＳ−ＲＺ出力信号の変換過程を示す図であり、これに基づいて本例装置の動作を詳細に説明する。

　図５及び図６Ａないし図６Ｄを参照すれば、半導体レーザー３０から発生した光信号(搬送波)は、チャープ−フリーマッハツェンダー干渉計型光強度変調器１０３に印加される。この時、当該光強度変調器１０３は、Ｚ−カットまたはＸ−カット構造のいずれも使用可能である。ＮＲＺデータは、符号化器（差動プリコーダー）１０１にて符号化されて変調器駆動器１０２に印加される。印加された０または１の情報を持つバイナリデータは、図６Ａに示すように、最初の変換過程でＮＲＺ信号の印加電圧は２×Ｖπとなり、バイアス点は変調器の最小点(null point)となる。この場合、光強度変調曲線６０３で示す変調された出力波形が得られる。したがって、０または１のビットは、強度変調無しに同じ大きさに光出力されるが、０または１のビットは、電界曲線６０２に示すように、変調時に０またはπの位相差を持つ位相情報に変換される。つまり、位相情報は、デコーダーの出力が０−レベルの時は‘π’、１−レベルの時は‘０’の情報となることがわかる。これにより、一般の干渉計型光変調器が位相変調器の役割をできるのである。

　このように光強度変調器１０３にて位相変調された光信号は、ビット率の０．７／Ｔを持つ広帯域通過フィルタ１０４を通過する。この過程が、図１に示した従来のデュオバイナリ送信構造における電気的低域通過フィルタを通過する過程と同機能を担う過程である。したがって、広帯域通過フィルタ１０４を通過した光信号は、図６Ｂに示すようにデュオバイナリ信号に変換される。本例では２Ｖπの電圧を印加し、帯域幅が０．７／ビット率である広帯域通過フィルタを使用してデュオバイナリ信号を発生させたが、デュオバイナリ光信号の特性を制御するために、印加電圧、広帯域通過フィルタの帯域幅などを調節してもよい。

　デュオバイナリ信号６０４に変換された光信号は、キャリア抑制ＲＺ変換のために後段のキャリア抑制ＲＺ信号発生部２００のチャープ−フリーマッハツェンダー光強度変調器２０１に印加される。ＮＲＺ信号をＲＺに変換するために、図６Ｃに示すようにビット率の半分または２倍の周期を持つクロック２０２を光強度変調器２０１に印加して、光強度変調器２０１に入射されるＮＲＺ変調された信号をＲＺに変換し、伝達曲線の最小点(null point)でクロックを印加して図６Ｄの符号６０５のようにキャリア抑制されたＲＺ信号を発生することができる。

　一方、図６Ａの変調された出力波形６０３に含まれた位相情報を、図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。図７Ａは、本発明に係る、デュオバイナリ光信号生成部１００における変調原理を説明するための図であり、図７Ｂはその出力波形を示す。

　図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、変調された信号は、信号を判断する瞬間にいずれも１−レベルを有し、印加される電気信号が１−レベルから０−レベル、あるいは０−レベルから１−レベルへシフトする時に限って光出力が０−レベルに変わってから再び１−レベルに復帰する。ここで、肝心な事は、信号を判別する時間にはいずれも１−レベルの光出力を持つという点であり、これは、常に１−レベルの光出力を持つ位相変調器と比較される点である。

　図８Ａは、本発明に係るＤＣＳ−ＲＺ構造の出力信号を示し、図８Ｂは出力信号の光スペクトル特性を示す図である。これは、図３Ａ及び図３Ｂに示した出力信号の結果と略同じ典型的なＤＣＳ−ＲＺ信号特性とパワースペクトルであることが分かる。

　以上、具体的な形態を例示して本発明を説明してきたが、本発明の範囲を外れない限度内で様々な変形が可能であることは言うまでもない。また、本発明はＤＣＳ−ＲＺ光送信技術を採択した光トラスポンダ(transponder)、トランスミッタ(transmitter)、トランシーバー(transceiver)、SONET/SDH及びイーサネット（登録商標）伝送システムなどのいずれにも適用可能である。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態によって定められるのではなく、特許請求の範囲の他、この特許請求の範囲と均等なものにより定められるべきである。

従来のデュオバイナリキャリア抑制ＲＺシステムの一構成例を示す図。 従来のデュオバイナリキャリア抑制ＲＺシステムの他の構成例を示す図。 図１及び図２の出力信号特性を示す図。 図１及び図２の光スペクトル特性を示す図。 位相変調器と広帯域通過フィルタを利用した、従来のデュオバイナリ光信号生成部の構成例を示す図。 本発明に係るＤＣＳ−ＲＺシステムの構成例を示す図。 本発明に係るＤＣＳ−ＲＺ出力信号の変換過程を示す図。 本発明に係るＤＣＳ−ＲＺ出力信号の変換過程を示す図。 本発明に係るＤＣＳ−ＲＺ出力信号の変換過程を示す図。 本発明に係るＤＣＳ−ＲＺ出力信号の変換過程を示す図。 本発明に係る、デュオバイナリ光信号生成部における変調原理を説明するための図。 本発明に係る、デュオバイナリ光信号生成部の出力波形を示す図。 本発明に係るＤＣＳ−ＲＺ構造の出力信号特性を示す図。 本発明に係るＤＣＳ−ＲＺ構造の光スペクトル特性を示す図。

符号の説明

３０　光源
１００　デュオバイナリ光信号生成部
１０１　符号化器（デュオバイナリプリコーダ）
１０２　変調器駆動器
１０３　光強度変調器（マッハツェンダー型変調器）
１０４　広帯域通過フィルタ
２００　キャリア抑制ＲＺ信号発生部
２０２　クロック
２０１　光強度変調器（マッハツェンダー型変調器）

Claims (14)

1. 　光搬送波を出力する光源と、ＮＲＺ(None Return to Zero)信号を受信し、該ＮＲＺ信号に応じて前記光搬送波を変調した変調光信号を出力するデュオバイナリ光信号生成部と、　クロック信号に同期して前記ＮＲＺ信号をＲＺ(Return to Zero)信号に変換するキャリア抑制ＲＺ信号発生部と、を備え、デュオバイナリキャリア抑制ＲＺ信号を出力する光伝送システムにおいて、
   　前記デュオバイナリ光信号生成部は、
   　前記ＮＲＺ信号をデュオバイナリ信号に変換出力する符号化器と、
   　前記デュオバイナリ信号を受信し、変調器駆動信号を生成する変調器駆動器と、
   　前記変調器駆動信号を受信し、前記光搬送波の位相を変化させて光強度変調した変調光信号を出力するマッハツェンダー干渉計型の光強度変調器と、
   　該光強度変調器から変調光信号を受信し、定められた帯域幅にしたがいフィルタリングしてデュオバイナリ光信号を出力する広帯域通過フィルタと、を備えたことを特徴とする光伝送システム。
2. 　光強度変調器は、二重電極を有するＺ−カット構造のマッハツェンダー干渉計型光強度変調器である請求項１に記載の光伝送システム。
3. 　デュオバイナリ光信号生成部の出力信号の特性が、ＮＲＺ信号の印加電圧によって異なってくる請求項２に記載の光伝送システム。
4. 　デュオバイナリ光信号生成部の出力信号の特性が、広帯域通過フィルタの帯域幅によって異なってくる請求項２に記載の光伝送システム。
5. 　光強度変調器は、単一電極を有するＸ−カット構造のマッハツェンダー干渉計型光強度変調器である請求項１に記載の光伝送システム。
6. 　デュオバイナリ光信号生成部の出力信号の特性が、ＮＲＺ信号の印加電圧によって異なってくる請求項５に記載の光伝送システム。
7. 　デュオバイナリ光信号生成部の出力信号の特性が、広帯域通過フィルタの帯域幅によって異なってくる請求項５に記載の光伝送システム。
8. 　デュオバイナリ光信号生成部の出力信号の特性が、ＮＲＺ信号の印加電圧によって異なってくる請求項１に記載の光伝送システム。
9. 　デュオバイナリ光信号生成部の出力信号の特性が、広帯域通過フィルタの帯域幅によって異なってくる請求項１に記載の光伝送システム。
10. 　光搬送波を出力する光源と、前記光搬送波を受信し、この光搬送波からクロック信号に同期してＣＳ−ＲＺ(carrier-suppressed return to zero)信号を生成するキャリア抑制ＲＺ信号生成部と、ＮＲＺ(None Return to Zero)信号および前記ＣＳ−ＲＺ信号を受信し、変調光信号を出力するデュオバイナリ光信号生成部と、を備えたデュオバイナリキャリア抑制ＲＺ信号を出力する光伝送システムにおいて、
    　前記デュオバイナリ光信号生成部は、
    　前記ＮＲＺ信号をデュオバイナリ信号に変換する符号化器と、
    　前記デュオバイナリ信号を受信し、変調器駆動信号を生成する変調器駆動器と、
    　前記変調器駆動信号および前記ＣＳ−ＲＺ信号を受信し、該ＣＳ−ＲＺ信号の位相を変化させて光強度を変調した変調光信号を出力するマッハツェンダー干渉計型の光強度変調器と、
    　該光強度変調器から変調光信号を受信し、この受信された光信号を定められた帯域幅にしたがいフィルタリングしてデュオバイナリ光信号を出力する広帯域通過フィルタと、を備えたことを特徴とする光伝送システム。
11. 　光強度変調器は、二重電極を有するＺ−カット構造の光強度変調器である請求項１０に記載の光伝送システム。
12. 　光強度変調器は、単一電極を有するＸ−カット構造の光強度変調器である請求項１０に記載の光伝送システム。
13. 　デュオバイナリ光信号生成部の出力信号の特性が、ＮＲＺ信号の印加電圧によって異なってくる請求項１０に記載の光伝送システム。
14. 　デュオバイナリ光信号生成部の出力信号の特性が、広帯域通過フィルタの帯域幅によって異なってくる請求項１０に記載の光伝送システム。

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