JP2004343766A - 半導体光増幅器を用いたデュオバイナリー光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的低帯域通過フィルタを使用せず半導体光増幅器と光帯域通過フィルタを用いてデュオバイナリ信号の交差位相特性を有するようにしたデュオバイナリー光送信装置を提供する。
【解決手段】本発明によるデュオバイナリ光伝送装置は、搬送波を出力する光源１０１と、ＮＲＺ電気信号を符号化するデュオバイナリ符号化装置１０３と、符号化信号と結合されて印加されるバイアス電流に応じる光増幅利得変化により光搬送波の位相を変調させる半導体光増幅装置１１０と、半導体光増幅装置から位相変調光信号を受信して予め設定された帯域に合わせてフィルタリングし、デュオバイナリー光信号を出力する光帯域通過フィルタ１０４とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明はデュオバイナリー（duo-binary）光送信技法を用いたデュオバイナリー光伝送装置に係り、特に、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を用いたデュオバイナリー光伝送装置に関する。

一般的に高密度波長分割多重方式（Dense Wavelength Division Multiplexing、以下、“ＤＷＤＭ”と称する）の光伝送システムは、一つの光ファイバー内に相異なる波長を有する多数のチャンネルで構成される光信号を伝送することにより伝送効率を高めることができ、伝送速度にかかわらず光信号を伝送できるので、最近伝送量が増加している超高速インターネット網にも有用に使用されている。現在、ＤＷＤＭを用いて１００個以上のチャンネルを一つの光ファイバーを用いて伝送するシステムが常用化されており、一つの光ファイバーに２００個以上の４０Ｇbpsチャンネルを同時に伝送して１０Ｔbps以上の伝送速度を有するシステムに対する研究も活発に行われている。

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要求により、既存のＮＲＺ（Non-Return to Zero、以下、“ＮＲＺ”と称する）を用いた光強度の変調時、５０GHzチャンネル間隔以下では急激なチャンネル間の干渉と歪曲で伝送容量の拡張に限界があり、既存のバイナリーＮＲＺ伝送信号のＤＣ周波数成分と変調時の拡散高周波成分は光ファイバーの媒質における伝播時に非線形と分散を引き起して、１０Ｇbps以上の高速伝送において伝送距離に制限がある。

最近、光デュオバイナリー技術が色分散（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を浴びている。デュオバイナリー伝送の主要長所は伝送スペクトルが一般的なバイナリー伝送に比べて低減するということにある。分散制御システムにおいて、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に減ると、伝達距離は４倍となることを意味する。さらに、搬送波周波数がデュオバイナリー伝送スペクトル内で抑圧されるので、光ファイバー内で刺激されたブリリュアン散乱（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。

図１は従来のデュオバイナリー光伝送装置の一構成例を、図２Ａ乃至図２Ｃは図１のＡ，Ｂ，Ｃノードにおける出力信号のアイ-ダイアグラム（eye-diagrams）を示した図である。これを通じて従来のデュオバイナリー光伝送装置について説明すると次の通りである。

図１において、従来のデュオバイナリー光伝送装置は２-レベルの電気的なパルス信号を生成するパルス信号発生器（ＰＰＧ：pulse pattern generator）１０と、２-レベルＮＲＺ電気信号を符号化するプリコーダ（precoder）２０と、プリコーダ２０から出力される２-レベルのＮＲＺ電気信号を３-レベルの電気信号に変化させ、信号の帯域幅を減らす低域通過フィルター（ＬＰＦ：low pass filter）３０，３１と、３-レベル電気信号を増幅して光変調器駆動信号を出力する変調器駆動増幅器４０，４１と、搬送波を出力するレーザー光源（laser source）５０と、マッハツェンダー型の光強度変調器（ＭＺ ＭＯＤ：Mach-Zehnder interferometer type optical intensity modulator）６０とで構成される。

パルス信号発生器１０で生成された２-レベルのパルス信号はプリコーダ２０で符号化され、Ａノードにおける出力アイ−ダイアグラムは図２Ａに示した通りである。プリコーダ２０から出力された２-レベルのバイナリー信号は低域通過フィルター３０，３１にそれぞれ入力され、この低域通過フィルター３０，３１は、２-レベルバイナリー信号のクロック周波数（clock frequency）のほぼ１／４に該当する帯域幅を有する。このような帯域幅の過度な制限によりコード間の干渉が発生し、コード間の干渉により２-レベルバイナリー信号は３-レベルのデュオバイナリー信号に変換され、Ｂノードにおける出力アイ-ダイアグラムは図２Ｂに示した通りである。３-レベルデュオバイナリー信号は変調器駆動増幅器４０，４１により増幅された後、マッハツェンダー型の光強度変調器６０の駆動信号として利用され、レーザー光源５０から出力された搬送波がマッハツェンダー型の光強度変調器６０の駆動信号に応じて位相及び光強度変調されて２-レベルの光デュオバイナリー信号として出力される。Ｃノードにおける出力アイ-ダイアグラムは図２Ｃに示した通りである。

図１を参照すれば、／Ｑ（“／”はアッパーラインの代用）はＱの反転信号を示し、３-レベルのデュオバイナリー信号がＬＰＦ及び駆動増幅器を通じて二重電極構造のマッハツェンダー光強度変調器６０にそれぞれ入力される。

このようにマッハツェンダー光強度変調器は電極構造に応じてＺ-cut構造とＸ-cut構造に分けられる。二つの電極（dual arm）を有するＺ-cut構造のマッハツェンダー光強度変調器の場合、図１に示したように、両側のアーム（arm）にそれぞれ電気的低域通過フィルター３０，３１及び変調器駆動増幅器４０,４１を備えて両電極に３-レベルの電気信号を印加できるようにする。一つの電極（single arm）を有するＸ-cut構造のマッハツェンダー光強度変調器の場合は図示しないが、片側のアームに電気的低域通過フィルター及び変調器駆動増幅器を備えて一電極に３-レベル信号を印加できるようにする。

しかし、前記従来の構造は電気的低域通過フィルターで３-レベル電気信号を発生させるので、擬似雑音ビットシーケンス（ＰＲＢＳ： Pseudo-Random bit sequence）の影響を多く受け、ＰＲＢＳが長くなるほど伝送特性の低下が激しくなり、システム具現が困難である。特に、２^７-１の場合より２^３１-１ＰＲＢＳの場合、システムマージンが相当に減る。一般的に印加されるＮＲＺ信号が０-レベルから１-レベルに変化するときの傾度と、１-レベルから０-レベルに減少するときの傾度とは相異なる。しかし、電気的低域通過フィルターを使用するデュオバイナリー光送信機の場合は、相異なる経度を有する部分が同時に合算されて０-レベルから１-レベル、１-レベルから０-レベルへのレベル遷移が発生するので、出力波形のジッターが大きくなる構造的な短所を有している。これはＺ-cut又はＸ-cut構造を有する従来の構造でも同じく発生し、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の限界性をもたらす。

かかる問題点を改善するために電気的低域通過フィルターを使用しない構造が提案された。図３は位相変調器と光帯域通過フィルター（Optical BPF）を用いた、従来のデュオバイナリー光送信機の他の構成例を示したものである。図３に示したように、パルス信号発生器１０、符号化器２０、変調器駆動増幅器４０及びレーザー光源５０の構成は図１の構成と同一であり、電気的低帯域通過フィルターを使用せず位相変調器７０と光帯域通過フィルター８０を用いて図１のデュオバイナリー光出力と類似した特性をもつ信号を発生させる。

しかし、この従来の他の技術は擬似雑音ビットシーケンス（ＰＲＢＳ）の長さに応じて一定な伝送品質を保障することはできるが、一般的に多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ので、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、本発明の目的は、電気的低帯域通過フィルターを含む従来のデュオバイナリー光送信機が有するフィルター透過特性による伝送品質の依存性とビットパターンの依存性を克服し、ＮＲＺ伝送の非線形及び分散特性を向上させる半導体光増幅器を用いたデュオバイナリー光伝送装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明によるデュオバイナリー光伝送装置は、光搬送波を出力する光源と、入力される電気信号を符号化するデュオバイナリー符号化装置と、これによる符号化信号と結合されて印加されるバイアス電流に応じる光増幅利得変化により光搬送波の位相を変調させる半導体光増幅装置と、この半導体光増幅装置から位相変調光信号を受信して予め設定された帯域に合わせてフィルタリングし、デュオバイナリー光信号を出力する光帯域通過フィルターと、を備えてなり、半導体増幅装置を利用することを特徴とする。

この場合、デュオバイナリー符号化装置に入力される電気信号はＮＲＺ（Non Return to Zero）信号が可能である。半導体光増幅装置は、半導体光増幅器と、該半導体光増幅器にバイアス電流を供給するＤＣカップリングラインと、を備えたものとする。さらに半導体光増幅装置は、半導体光増幅器の出力端における光反射を防止するための光アイソレータをさらに備えることもできる。

本発明のデュオバイナリー光伝送装置は、半導体光増幅器の変調インデックス（modulation index）を調節することにより光信号の位相変化特性を調節することが可能である。また、光帯域通過フィルターの帯域幅を調節することによりデュオバイナリー光信号の伝送特性を調節することもできる。光源に半導体レーザーを使用すると、半導体光増幅装置と半導体レーザーと光帯域通過フィルターとで単一集積構造を実現することができる。

本発明のデュオバイナリー光送信装置は電気的低帯域通過フィルターを使用せず、半導体光増幅器と光帯域通過フィルターを用いてデュオバイナリー信号が有する交差位相特性を与えており、このような半導体光増幅器は半導体レーザー、光帯域通過フィルターとともに単一集積構造で設計することができる。したがって、従来の外部変調器を用いたデュオバイナリー光送信機と干渉系構造の位相変調器を用いたデュオバイナリー光送信機に比べて小型化かつ集積化された送信端の具現が可能である。さらに、電気的フィルターによる伝送品質の限界性を克服することにより、高速・高密度の波長分割多重化方式（ＷＤＭ）光伝送システムを具現することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に参照して詳細に説明する。図面において、同じ構成要素には同じ参照番号及び符号を使用する。さらに、本発明の説明において、関連公知機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にすると判断される場合はその詳細説明を省略する。

図４は本発明の好ましい実施例によるデュオバイナリー光伝送装置の構成を示した図である。

図４を参照すれば、本発明のデュオバイナリー光伝送装置は、搬送波を出力する光源１０１と、ＮＲＺデータ信号を生成する信号発生装置１０２と、ＮＲＺ電気信号を符号化するデュオバイナリー符号化装置１０３と、符号化された信号と結合されて印加されるバイアス電流による利得変化により光搬送波の位相を変調させる半導体光増幅装置１１０と、半導体光増幅装置１１０から位相変調された光信号を受信して予め設定された帯域に合わせてフィルタリングし、デュオバイナリー光信号を出力する光帯域通過フィルター１０４とを備えている。

光源１０１は、搬送波を生成／出力するもので、レーザーダイオード（ＬＤ）で具現することができる。

ＮＲＺデータ信号発生装置１０２は、２-レベルのＮＲＺデータ信号を発生するもので、電気的なパルス信号を生成するパルス信号発生器（ＰＰＧ）などで具現することができる。

デュオバイナリー符号化装置（Duo-binary Precoder）１０３は、２-レベルＮＲＺデータ信号を符号化する。

半導体光増幅装置１１０は、印加電流による光増幅利得変化で光搬送波の位相を変調させる機能をもち、バイアス電流を供給するＤＣカップリングライン１１１と、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）１１２と、光アイソレータ１１３とを備えている。

光帯域通過フィルター１０４は、半導体光増幅装置１１０から位相変調された光信号を受信して、予め設定された帯域に合わせてフィルリングする機能を行う。

前記構成を有する本発明の全体動作を説明するまえに、印加電流による光増幅利得変化で入力光信号の位相を変調させて出力する半導体光増幅器（ＳＯＡ）の動作原理を図５乃至図８を通じて説明すると次の通りである。

図５は半導体光増幅器（ＳＯＡ）の波長による利得分布を示した図であり、使用可能な動作波長を選択する範囲を決める。図５においては、ほぼ１５２５nm乃至１５７０nm波長帯域で動作が可能である。

図６は半導体光増幅器（ＳＯＡ）の印加電流による利得変化特性を示した図である。例えば、半導体光増幅器（ＳＯＡ）に１２０mAのバイアス電流を印加する場合、利得変化は２５dB（図６のＡ）である。バイアス電流を印加しない場合の光出力を−１０dBと仮定すれば、１２０mAのバイアス電流をＤＣカップリングして印加した後の出力は１５dBとなる。このように半導体光増幅器（ＳＯＡ）に印加されるバイアス電流の大きさに応じて増幅利得特性が変化し、このような増幅利得特性の変化は光信号の位相を変化させる。

図７は本発明による半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いた位相変調技法を概念的に示した図であり、半導体光増幅器のバイアス電流ＩＤＣ（１１０mA）を基準にして印加信号の大きさ（Ｅ）を８０mAから１４０mAに調節することにより、利得変化特性曲線上のＢを基準にしてΦ0（Ｃ）からΦ0+Δπ（Ｄ）までπの位相差を有することを示す。この際、印加信号の大きさ（Ｅ）を光増幅器の変調インデックス（modulation index）とし、これを調節することにより光信号の位相変化特性を調節することができる。

図８は本発明に応じて位相変調された光信号のビットシーケンスを示した図である。０又は１ビットの変調時に電界（electric field）で０又はπの位相を有する位相情報に変換されることがわかる。

このような本発明の半導体光増幅器を用いたデュオバイナリー光伝送装置の動作は次の通りである。

再度図４を参照すれば、レーザー光源１０１から生成／出力された搬送波はDCカップリングライン１１１を有する半導体光増幅器１１２に印加される。さらに、ＮＲＺデータ信号発生装置１０２から生成されたＮＲＺ方式の電気信号はデュオバイナリー符号化装置１０３を通じて符号化された後、バイアス直流電流ＩDCと結合されて（１１１）半導体光増幅器１１２に印加される。この際、印加電流を変化させると、半導体光増幅器の増幅利得特性が変わり、このような増幅利得特性の変化は光信号の位相を変化させる。位相変調後のＰＳＫ（Phase Shift Keying）光出力は帯域幅がデータ伝送ビット率の０．７倍である光帯域通過フィルター１０４を通過すると、従来のデュオバイナリー送信機の構造で電気的低帯域フィルターを通過する方式と同じ機能が実行されるようになる。したがって、光帯域通過フィルター１０４を通過した光信号はデュオバイナリー信号に変換される。

本実施例では光帯域通過フィルター１０４の帯域幅がデータ伝送ビット率の０．７倍である場合を例示したが、光帯域通過フィルター１０４の帯域幅を調節することによりデュオバイナリー光信号の伝送特性を調節することができる。光アイソレータ１１３は半導体光増幅器１１２から出力された光が反射されて逆方向に進行することを最小化する。

図９は本発明に係る単一集積構造を有するデュオバイナリー光送信機２００の構造例を示した図であり、本発明の半導体光増幅器２０２は、半導体レーザー２０１、光帯域通過フィルター２０５とともに単一集積構造で設計可能なことを示す。説明しない符号２０３は集束レンズ（focusing lens）、２０４は光アイソレータ、２０６はカップリングレンズをそれぞれ示す。

以上、本発明の詳細な説明では具体的な実施形態について説明したが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。したがって、本発明の範囲は前記実施例に限られるものでなく、特許請求の範囲のみならず、そ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ー光伝送装置の一構成例を示した図。 各分図はそれぞれ図１のＡ，Ｂ，Ｃノードにおける出力信号のアイ-ダイアグラム（eye-diagrams）を示した図。 従来のデュオバイナリー光伝送装置の他の構成例を示した図。 本発明の好ましい実施例によるデュオバイナリー光伝送装置の構成を示した図。 半導体光増幅器（ＳＯＡ）の波長による利得分布を示した図。 半導体光増幅器（ＳＯＡ）の印加電流による利得変化特性を示した図。 本発明による半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いた位相変調技法を示した図。 本発明に応じて位相変調された光信号のビットシーケンスを示した図。 本発明に係る単一集積構造を有するデュオバイナリー光送信機の構造の一例を示した図。

符号の説明

１０１ 光源（Light Source）
１０２ ＮＲＺデータ信号発生装置（NRZ Data Signal Generator）
１０３ デュオバイナリ符号化装置（Duobinary Precoder）
１０４ 光帯域通過フィルタ（Optical BPF）
１１０ 半導体光増幅装置
１１１ ＤＣカップリングライン
１１２ 半導体光増幅器（SOA）
１１３ 光アイソレータ（Optical Isolator）

Claims (8)

1. 光搬送波を出力する光源と、
   入力される電気信号を符号化するデュオバイナリー符号化装置と、
   前記符号化信号と結合されて印加されるバイアス電流に応じる光増幅利得変化により前記光搬送波の位相を変調させる半導体光増幅装置と、
   前記半導体光増幅装置から位相変調光信号を受信して予め設定された帯域に合わせてフィルタリングし、デュオバイナリー光信号を出力する光帯域通過フィルターと、を備えてなることを特徴とするデュオバイナリー光伝送装置。
2. デュオバイナリー符号化装置に入力される電気信号はＮＲＺ（Non Return to Zero）信号である請求項１に記載のデュオバイナリー光伝送装置。
3. 半導体光増幅装置は、半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器にバイアス電流を供給するＤＣカップリングラインと、を備えてなる請求項１に記載のデュオバイナリー光伝送装置。
4. 半導体光増幅装置は、前記半導体光増幅器の出力端における光反射を防止するための光アイソレータをさらに備える請求項３に記載のデュオバイナリー光伝送装置。
5. 半導体光増幅器の変調インデックス（modulation index）を調節することにより光信号の位相変化特性を調節する請求項３に記載のデュオバイナリー光伝送装置。
6. 光帯域通過フィルターの帯域幅を調節することによりデュオバイナリー光信号の伝送特性を調節する請求項１に記載のデュオバイナリー光伝送装置。
7. 光源は半導体レーザーである請求項１に記載のデュオバイナリー光伝送装置。
8. 半導体光増幅装置と半導体レーザーと光帯域通過フィルターとで単一集積構造を有する請求項７に記載のデュオバイナリー光伝送装置。

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