JP2004500767A - 光学システムにおけるクロマチック分散の適応制御のための電子検波器 - Google Patents
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Abstract
クロマチック分散を検波するための光学装置が開示される。当該光学装置は、複数の周波数成分を有する電気信号に光信号を変換する受信機を含む。バンドパスセクションは複数の周波数成分を分割し、ゲインセクションは当該電気信号の複数の周波数成分の各々を増幅する。スペクトル成分の各々は、対応する電圧レベルを有し、各電圧レベルは、クロマチック分散をほとんど有さないか、全く有さない信号の公知の電圧レベルと比較され得る。この比較からクロマチック分散の量が決定され得る。当該光学装置は、クロマチック分散補償装置の素子として、若しくは、光信号のクロマチック分散の量を計測する単独装置として使用され得る。当該光学装置及び分散補償器に基づくリアルタイムクロマチック分散補償の方法も開示される。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに関し、特に、光学系のクロマチック分散を補償する方法と装置とに関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバコミュニケーションシステムを含む光伝送システムは、音声及びデータを高速で伝送するための魅力的な搬送手段になった。特に伝送速度が上昇するにつれて、光伝送システムにおける光伝送媒体のクロマチック分散による波形劣化が問題となった。クロマチック分散は、ガラス光ファイバの如き伝送媒体における光信号の周波数をより高め、屈折率をより大とすることで生じる。故に、光信号の周波数成分を高めることが「スローダウン」を招き、対照的に、より低い周波数の信号が「スピードアップ」を招くことだろう。さらに、ガラス材料の応力及び歪みの不均一性や温度効果によっても屈折率に影響を及ぼし得て、更にクロマチック分散の弊害が増加する。
【0003】
デジタル光通信システムにおいて、光信号が理想的に方形波であるところ、クロマチック分散によって拡幅されたビットが特に問題を含み得る。分散の結果として、信号の「速い周波数」はスローダウンし、信号の「遅い周波数」はスピードアップするので、波形は、実質的に影響を与えられ得る。すなわち、この種の分散の効果は時間内における当初のパルスが広がることであって、これは他のビットに割り当てられた時間スロットにオーバーフローを生じさせる。オーバフローが過度に生じるとき、符号間干渉(ISI)が生じ得る。ISIは、容認できないレベルにビットエラーレートを増加させることになり得る。
【0004】
クロマチック分散によって拡幅されたビットの実施例が図1に示される。それぞれ、101、102、103で示される「101」ビット列は、この例における理想的な信号伝送である。当業者によく理解されているように、鋭く上昇するエッジ104及び鋭い後方エッジ105を達成するためには、相対的に高い周波数フーリエ成分の大なる数が必要である。簡潔に上記したように、これらのより高い周波数成分は、クロマチック分散により「スローダウン」され、信号106に見られるように、波形はより高い周波数成分の分散によって大きく変形(拡幅)せしめられる。全体のパワーが拡幅されて各々のパルスの最大出力が減じられ、また、分散によってパワーがビット間に分配され、「0」のデジタルビットと「1」のデジタルビットとを区別するために用いられる所定の検出閾値に達成し得ない。このように、「1」が検出閾値に達する十分なパワーを有さないとともに、「0」のパワーが大きすぎて閾値を越えてしまうとき、クロマチック分散は容認できないビットエラーレートを生成する。
【0005】
クロマチック分散の弊害を抑制する従来の技術は、主にその性質においてスタティック(静的)な方法である。従来の1つのスタティック技術は、正又は負の分散が選択的に光通信システムに導入されるクロマチック分散(CD)補償ファイバの使用を含む。例えば、正のクロマチック分散があるとすれば、負の補償光ファイバが選択的に光通信システムに配置されて、拡幅された信号を「再整形」する。
【0006】
クロマチック分散の弊害を抑制する他のスタティックな技術は、分散シフトファイバの使用を含み、これは特定の波長でクロマチック分散を呈さないように設計されている。残念なことに、特定の光通信システムでは、約40チャネル以上あって、約0.8nmから約1nm増加する間隔のチャネル中心波長を有する。実例として、40チャネルシステムは、約1530nmから1570nmの範囲でチャネル中心波長を有し得る。1550nm波長チャネルでは、他の影響を妨げるようなクロマチック分散はほとんど、若しくは、全くない。しかしながら、より短い中心チャネル波長を有するチャネルにおいては、正のクロマチック分散が導入され、一方、より長い中心チャネル波長を有するチャネルにおいては、負のクロマチック分散が導入される。したがって、クロマチック分散の補償は、このスタティックなCD補償技術を使用して40チャネルのシステムの全てに亘って実現することは容易ではない。
【0007】
上記した技術がクロマチック分散の補償で若干の成功を得るとしても、これらの解決は光学系の時間依存変化を処理できない。さらに、これらの解決は、システムのクロマチック分散についての演繹的な知識を必要とする。したがって、従来のスタティックな解決方法は、ある光信号のクロマチック分散のダイナミックな変化を取り扱うことができないばかりでなく、これらの解決方法は、様々な光学系に直ちに適用できないのである。
【0008】
したがって、必要なことは、上記されたスタティックなクロマチック分散技術の欠点を克服する光ネットワークにおけるクロマチック分散の補償のための方法と装置である。
【0009】
【発明の概要】
本発明の典型的な実施例によれば、光学系のクロマチック分散を検波するための光デバイスが開示される。当該光デバイスは受信機を含み、受信機は光信号を複数の周波数成分を有する電気信号に変換する。バンドパスセクションは、電気信号の複数の周波数成分を抽出する。周波数成分の各々は、対応する電圧レベルを有する。
【0010】
典型的な他の実施例によれば、クロマチック分散を補償する装置が開示される。当該装置は、光信号を電気信号に変換する検波器と、検波器から出力を受け取るコントローラと、コントローラからの入力に基づいて調整的なクロマチック分散を導く分散補償器とを含む。
本発明の典型的な他の実施例によると、また、クロマチック分散を補償する方法が開示される。図示された方法は、光信号の一部を第1の周波数成分を有する電気信号に変換するステップと、各々の第1の周波数成分を第2の周波数成分と比較するステップとを含む。消失した周波数成分が光信号に再度、導かれて、その結果として、クロマチック分散は実質的に光信号においてゼロとなる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付図面と併せて以下の詳細な説明から最もよく理解される。図面において、さまざまな特徴は、必ずしも大きさ通りに描かれているとは限らない。実際、さまざまな特徴の寸法は、ここでの議論を明確にするために任意に大小され得る。
【0012】
以下の発明の詳細な説明の記載においては、説明のためであってこれに限定されるものではなく、具体的な詳細を開示する典型的な実施例が本発明の完全な理解を提供するために記載されている。しかしながら、これらの具体的な詳細から逸脱するような他の実施例においても本発明が実践され得ることは、当業者であれば明らかであろう。また、周知のデバイス及び方法の詳細な説明は、本発明が不明瞭とならないように省略される。
【0013】
図2を参照すると、リアルタイム検波及びフィードバック制御システム200が最初に記載される。本発明の実施例によれば、リアルタイム検波及びフィードバック制御システム200は、動的に光信号のクロマチック分散を補償する。201の信号は、分散補償器202への入力であって、信号出力203はその他の光学系(図示せず)に続く。議論のために、光学系は光ファイバコミュニケーションシステム、例えば有線テレビ(CATV)の如きであってもよい。もちろん、光ファイバコミュニケーションシステムは単に図示のためだけであって、本発明は他の光学伝送媒体、例えばプレーナ型光導波路を取り入れた他の光伝送システムに組み込まれてもよい。
【0014】
信号出力203の一部分(若しくは、サンプル)は、従来からある光タップ204を経て分岐されて、検波器205に入力する。検波器205は、光信号の分岐部分を電気信号に変換し、これは詳細に以下に議論される典型的な技術によって処理される。電気信号206は、検波器205からの出力であって、コントローラ207への入力である。コントローラ207は、少なくとも1つのアナログ−デジタルコンバータ(A/Dコンバータ)とマイクロプロセッサ(例えば、ディジタル信号プロセッサ(DSP))とを含み得る。
【0015】
本願明細書において更に詳細に記載されるように、検波器205の出力信号206は、クロマチック分散の結果として消失する周波数成分を有してもよい。特に、これらの周波数成分は、クロマチック分散により振幅を減じられ、若しくは、完全に消失され得る。コントローラ207は、いずれの周波数成分が大きさを減じられ、又は、光信号から消失させられるかを決定して、コントローラコマンド208を経てこれらの周波数成分を分散補償器202に再度、導く。このように、検波器205は電気領域のクロマチック分散のこの度合いを補償し、そして、コントローラ207は、(再び、電気領域において)クロマチック分散により消失した、若しくは、振幅を減じられたフーリエ周波数成分を「再導入」することで分散のこの程度を補償する。分散補償器202は、コントローラ207からの入力に基づいて、信号出力203に(光領域の)消失若しくは減じられた成分を再導入して、クロマチック分散を修正する。
【0016】
図2に示される典型的な実施例において、クロマチック分散の修正のいくつかは、例えば分散補償モジュール(図示せず)の使用の如き、スタティック補償技術によってなされてもよく、これは、分散シフト化ファイバのような分散補償ファイバを取り入れてもよい。本発明の分散補償器202は、クロマチック分散を変化させる時間を変化させ、これは光ネットワークの通常の使用による温度変動により生じてもよい。図2に示す実施例のリアルタイム検波及びフィードバック制御システム200は、あるCD生成源となるクロマチック分散を動的に補償する。例えば、光伝送システムの温度変動は、CDを生じ得る。最後に、図2に示した実施例の分散補償器202は、チャープ化ファイバブラッググレーティング(FBG)であってもよく、これは、201の信号に正又は負のクロマチック分散のわずかな増加を導くことによって補償し、信号出力203のクロマチック分散の量を実質的に減じる。当業者であれば直ちに理解されるように、正又は負のクロマチック分散の増加初期の大きさは、一般的にシステム依存である。
【0017】
図3を参照すると、本発明の典型的な実施例による電気検波器の概略(ブロック)線図が示される。図3の検波器は、フィードバック制御ループの測定装置として使用され得る点に注意することが重要である。例えば、図3に示される電気検波器は、図2のリアルタイム・フィードバック制御システム200の検波器205として使用され得る。しかしながら、図3に示された実施例の検波器は、また、単独で使用され得るデバイスであり得て、光信号のクロマチック分散の量の連続的な計測値を提供する。例えば、検波器205は、製造時にファイバの特性CDの計測を行うための単独で使用されるデバイスとして使用され得る。これらのデータは、参考のためにファイバの購入者に与えられ得る。
【0018】
図3に示す実施例において、入力光信号300は、受信デバイス301で受け取られて、電気信号に変換される。受信デバイス301は、従来の光−電子検波器(例えばPIN検波器)であって、例としては、振幅検波器である。検波器301の電気出力は、閉ループ形態の可変ゲイン増幅器(VGA)302へ入力される。VGA 302は、信号分割に先立って配置され、バンドパスフィルタエレメント303に対して一定の合成信号レベルが提供されることを確実にする。制御電圧(Vcontrol)は、受け取られた信号に生じ得る変化に関係なく、VGA 302から実質的に一定の信号出力レベルを維持するために使用される。これはフィルタ素子303の最低周波数バンドパスフィルタBP1の振幅をモニタすることで達成され、これは具体的には光信号のレベルを監視するチャネルとして使用される。バンドパスフィルタBP1からのこの検波チャネル出力は、コントローラボード(図示せず)に送出され、基準電圧と比較される。入力光信号300の電圧レベルが振幅変化するとき、BP1からの出力チャネルがこれにより変化する。BP1が最も低い周波数バンドパスフィルタを有するので、その出力信号レベルはクロマチック分散又は偏光モード分散によって大きな影響を受けない。コントローラボードはこのチャネル出力をモニタして、それを最初のキャリブレーションの間にセットされた基準電圧と比較する。この差が光信号レベル変化により検波され、コントローラボードがこの差と比例する制御電圧を出力し、BP1チャネル出力間の差までVGAのゲインを調整するとき、このコントローラボード基準電圧は、実質的にゼロである。このことにより、ゲイン調整器閉ループ関数は、検波器及びコントローラボードが光信号レベルバリエーションのために誤ったCD計測値を生じないようにする。
【0019】
VGA 302による増幅の後、信号はバンドパスフィルタ303に供給されてスペクトル的に分離される。特に、300の信号の複数の周波数成分が抽出される。このために、従来技術において当業者であれば直ちに認識されるように、受信機301からの電気信号は、実例としてマイクロ波周波数領域にある。それは約10×109Hz(10GHz)まで、非常に低い周波数(DC)にわたるスペクトルの又は周波数成分を有する。バンドパスフィルタ303は、受信機301から電気信号の一部のスペクトルを各々通過するように選択される。例えば、kHzのオーダーで、BP1と称されるフィルタは、下端の周波数成分を透過し得て、一方、例えば、GHzオーダーでのバンドパスフィルタBP1は、ハイエンド周波数を通過するように設計されている。図3に示す実施例において、バンドパスフィルタ303は、狭帯域バンドパスフィルタであって、フィルタの中心周波数のうちの少なくとも3つが入力信号の3dB帯域幅の範囲内にあるように周波数離間された通過帯域を有する。
【0020】
増幅器304は、バンドパスフィルタ303の出力の振幅を増幅し得る。増幅器304(若しくは、増幅器ゲインブロック)は、個々のバンドパスフィルタを通り抜けたスペクトルの各々の部分のパワーが相対的に小さくなるように、信号を増幅するのに役立つ。実施例において、増幅器304は約50dBのゲインを有しており、一般にブロードバンド増幅器である。このように、増幅器304はバンドパスフィルタ303の各々と同一でもよい。増幅器304がブロードバンドであるので、バンドパスフィルタBP1、BP2−BPnを有する他のフィルタ段階305を含むことは、スペクトルの品質を確実にして、増幅行程によって生じる疑似信号を除去するために有益である。これらのバンドパスフィルタ305は、バンドパスフィルタ303と同一である。増幅器304は、多段ブロードバンド増幅器であって、増幅器及びフィルタ領域304、305にそれぞれ続く回路での使用に十分に高い信号のレベルを設定するために使用される。最後に図示の目的で、4つのバンドパスフィルタ(すなわちn=4)は、10%の帯域幅を各々有し、約10GHzまでのほぼDCの全体のバンドパスを有するバンドパスフィルタ303、305を使用し得る。
【0021】
バンドパスフィルタ305の出力は、Vout= V2 inによって特徴づけられる伝達関数を有する二乗検波器306にそれぞれ供給される。実施例として、二乗検波器306は、GaAsベースのショットキーバリヤ検波器である。このように、二乗検波器306の各々の出力電圧(Vout)は、入力電圧(Vin)の自乗に等しい。故に、検波器出力電圧は、続くバンドパスフィルタの各々からの入力パワーに正比例する。本願明細書で充分に記載されるように、二乗検波器306は、大きさを減じ若しくはクロマチック分散のために無効にされた光信号のスペクトル又は周波数成分を識別する有益な役割を演ずる。ローパスフィルタ307は、二乗検波器の出力を「円滑化」するように設計されたゲインを有するアクティブ・ローパスフィルタである。したがって、これらのローパスフィルタ307は、二乗検波器306からの出力電圧の変動及び変化をを最終的に除去する。
【0022】
ローパスフィルタ307の出力電圧レベルは、A/Dコンバータ308への入力のため、そして、最終的にデジタル信号プロセッサ309に使用される実用的なレベルにDC出力をシフトする。A/Dコンバータ308は、ディジタル信号プロセッサ309にそれぞれのローパスフィルタ307からの信号を入力する。図3の検波器がリアルタイム検波及びフィードバック制御ループで使われる典型的な実施例において、ディジタル信号プロセッサ309は、クロマチック分散補償器(例えば、分散補償器202)に修正電圧(誤差電圧とも称する)を供給するために使用され得る信号310を出力する。あるいは、図3の検波器が、上記されたようにスタンドアロンデバイスとして使用され得る。
【0023】
本願明細書での議論によって認められるように、例えば、ディジタル信号プロセッサ309により更なる使用のために処理されるであろうバイナリワードに、A/Dコンバータ308は、ローパスフィルタ307から入力アナログ電圧のサンプルを抽出して、変換させる。DSP309又は等価マイクロプロセッサは、A/Dコンバータからの入力信号を処理して、受け取った信号に存在するクロマチック分散の量の計測値を復元する。例えば、この測定値は、ダイナミックなフィードバック制御アルゴリズムの処理に適しており、クロマチック分散の補償を提供する。
【0024】
図3に示した実施例の検波器デバイスは、信号の時間領域特性及び周波数領域特性がパーシバルの法則により関連付けられ得る法則に則って動作する。パーシバルの法則は、時間に対する信号のパワーが周波数に対する信号のパワーと等しいとしている。例えば、所与の時間依存信号ν(t)について、
【0025】
【数1】
【0026】
ここで、Cnはν(t)のフーリエ展開の係数である。
【0027】
【数2】
【0028】
上記したパーシバルの法則の理解から、特定の信号の各パワー成分について式(2)によって与えられるフーリエ係数があることが明らかである。すなわち、式(2)のフーリエ係数の1つ以上が大きさを減じられるか、若しくは、ゼロ(本実施例ではCDによる)であるとすれば、周波数領域の対応するスペクトル成分も大きさにおいて減じられ、又は全く除去されるであろう。このようにして、信号の当該成分は消失する。この特性は、周波数領域から計測される時間領域効果の判定を可能にする。
【0029】
図4を参照すると、電気領域に変わって図3のローパスフィルタ307により処理された非ゼロ復帰パルスからなる理想的な光信号が400の振幅エンベロープ及びf1、f2、f3 ... fnで示される周波数成分401を有するだろう。もちろん、時間領域において、これは例えば図1の101,102及び103で示される如きバイナリの光信号である。時間領域特性は、クロマチック分散による光パルスの拡幅に現れる。パーシバルの法則から、周波数領域において、時間領域のパルスの拡幅は、大きさの減少又はスペクトル成分401のうちの1つ以上の消失に現れる。フーリエ級数の理解から、これは大きさの減少又は式(2)の対応するフーリエ係数Cnの除去で最終的に明らかとなる。周波数パワースペクトルのスペクトルの成分のうちの1つ以上の減少又は除去は、しばしば「ホールバーニング」と称する特性方法でスペクトルを変化させる。
【0030】
図5を参照して周波数に対する振幅で光信号の出力が示される。グラフ501はクロマチック分散を経ない典型的な信号を表す。しかしながら、図示された502は、「ホールバーニング」が503で生じ始めたことを示している。このために、特定の周波数のまわりの振幅(パワー)の減少は、その周波数での信号に含まれるクロマチック分散の量に直接的に関連する。スペクトルのホールの特徴は、ちょうど基本成分の前で周波数スペクトルのより高い端部から入り、分散が増加するにつれてより低い周波数成分へ向けて単調に通り抜ける。これは、信号に存在する分散の量の判定を可能にする。実施例として、フィルタの範囲は、信号のスペクトル範囲に集合的に広がっており、この移動の観察を許容する。クロマチック分散の量が時間領域で増加するとき、ホールは周波数領域のより低い周波数へ「移動」する。これは、信号に存在するクロマチック分散の量の判定を可能にする。
【0031】
本発明によって、消失若しくは減じられたスペクトル(又は、周波数)成分は、直ちに識別され得て、故に、ダイナミックな方法でクロマチック分散を補償した光信号に最終的に再導入される。この目的で、理想的な信号(例えば図4に示された如き)の各々のスペクトル成分のパワーが決定され得る。信号を図3の典型的な実施例の検波器を使用して、信号をスペクトル成分に分割することによって、ローパスフィルタ307からの出力は、信号の各々の特定のスペクトル成分のパワーを生じるだろう。このスペクトルの成分パワーレベルは、クロマチック分散を有しない理想的な信号のそれと比較される。この比較によって、クロマチック分散のある程度の補正が実行され得る。図2のリアルタイム検波及びフィードバック制御ループ200でのクロマチック分散の修正は、理想的な信号の「消失した」スペクトル成分を再導入することで達成され得る。再び、図2で示される実施例において、これはA/Dコンバータ(図3の308)からの信号を誤差電圧に変換することで達成され得る。誤差電圧は分散補償器202(例えば、ファイバブラッググレーティング(FBG))を制御するために使用され得る。
【0032】
図2に示す実施例において、簡潔に上記したように、図2の実施例による分散補償器202は、フィードバック制御ループの検波器と連動して使われるときに、「リアルタイム」修正をクロマチック分散に与え得る。このように、図2及び3の典型的な実施例において、「リアルタイム」では、分散補償器がクロマチック分散の原因である。このクロマチック分散は、光ネットワークのダイナミックな変化(例えばネットワークにおける温度変動)から生じ得る。しかしながら、上記したクロマチック分散補償技術が有効にスタティッククロマチック分散補償デバイス(例えば分散補償モジュール、より完全に上で議論されるように、これはスタティック補償技術である。)を含み得ることは特に重要である。
【0033】
最後に、ここに開示の本発明は、特に、より高い周波数データ速度のアプリケーションのクロマチック分散の「リアルタイム」修正にとって有用である。例えば、光信号のデータ信号速度が10Gbit/secオーダーであるとすれば、方形波信号は100ピコ秒のオーダーの周期を有する。このデータ信号速度で、光学系の温度変動は、50ピコ秒オーダーのクロマチック分散を導き得る。クロマチック分散のこのレベルは、明らかに容認できなくて、非常に高いビットエラーレートを結果として生じる。ここに開示の本発明は、図3に示した検波器を取り入れた「リアルタイム」フィードバック制御による10Gbit/secよりも大なるデータ速度でクロマチック分散の修正を可能にする。図3に示された典型的な実施例によれば、リアルタイムで、検波器は特定の動作範囲に亘って±1%パーセントオーダーの精度を呈する。
【0034】
本発明を詳述してきたが、本発明は様々な方法で変化してもよいことは当業者にとって直ちに明らかだろう。この種のバリエーションは、本発明の範囲から離脱していると見なされることはない。当業者にとって明らかであるように、ここに開示の利点を有する全ての変更態様は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図1】バイナリ光信号でのクロマチック分散の影響を示しているグラフである。
【図2】本発明の典型的な実施例によるクロマチック分散補償器を取り入れたリアルタイム検波及びフィードバック制御システムの図である。
【図3】本発明の典型的な実施例による電気検波器のブロック図である。
【図4】本発明の典型的な実施例によるバイナリ信号のパワースペクトルのグラフである。
【図5】光信号のクロマチック分散による信号スペクトルの変化を示すグラフである。
【符号の説明】
200 フィードバック制御システム
202 分散補償器
205 検波器
207 コントローラ
301 受信デバイス
302 可変ゲイン増幅器
303、305 バンドパスフィルタ
304 増幅器
306 二乗検波器
307 ローパスフィルタ
308 A/Dコンバータ
309 デジタル信号プロセッサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに関し、特に、光学系のクロマチック分散を補償する方法と装置とに関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバコミュニケーションシステムを含む光伝送システムは、音声及びデータを高速で伝送するための魅力的な搬送手段になった。特に伝送速度が上昇するにつれて、光伝送システムにおける光伝送媒体のクロマチック分散による波形劣化が問題となった。クロマチック分散は、ガラス光ファイバの如き伝送媒体における光信号の周波数をより高め、屈折率をより大とすることで生じる。故に、光信号の周波数成分を高めることが「スローダウン」を招き、対照的に、より低い周波数の信号が「スピードアップ」を招くことだろう。さらに、ガラス材料の応力及び歪みの不均一性や温度効果によっても屈折率に影響を及ぼし得て、更にクロマチック分散の弊害が増加する。
【0003】
デジタル光通信システムにおいて、光信号が理想的に方形波であるところ、クロマチック分散によって拡幅されたビットが特に問題を含み得る。分散の結果として、信号の「速い周波数」はスローダウンし、信号の「遅い周波数」はスピードアップするので、波形は、実質的に影響を与えられ得る。すなわち、この種の分散の効果は時間内における当初のパルスが広がることであって、これは他のビットに割り当てられた時間スロットにオーバーフローを生じさせる。オーバフローが過度に生じるとき、符号間干渉(ISI)が生じ得る。ISIは、容認できないレベルにビットエラーレートを増加させることになり得る。
【0004】
クロマチック分散によって拡幅されたビットの実施例が図1に示される。それぞれ、101、102、103で示される「101」ビット列は、この例における理想的な信号伝送である。当業者によく理解されているように、鋭く上昇するエッジ104及び鋭い後方エッジ105を達成するためには、相対的に高い周波数フーリエ成分の大なる数が必要である。簡潔に上記したように、これらのより高い周波数成分は、クロマチック分散により「スローダウン」され、信号106に見られるように、波形はより高い周波数成分の分散によって大きく変形(拡幅)せしめられる。全体のパワーが拡幅されて各々のパルスの最大出力が減じられ、また、分散によってパワーがビット間に分配され、「0」のデジタルビットと「1」のデジタルビットとを区別するために用いられる所定の検出閾値に達成し得ない。このように、「1」が検出閾値に達する十分なパワーを有さないとともに、「0」のパワーが大きすぎて閾値を越えてしまうとき、クロマチック分散は容認できないビットエラーレートを生成する。
【0005】
クロマチック分散の弊害を抑制する従来の技術は、主にその性質においてスタティック(静的)な方法である。従来の1つのスタティック技術は、正又は負の分散が選択的に光通信システムに導入されるクロマチック分散(CD)補償ファイバの使用を含む。例えば、正のクロマチック分散があるとすれば、負の補償光ファイバが選択的に光通信システムに配置されて、拡幅された信号を「再整形」する。
【0006】
クロマチック分散の弊害を抑制する他のスタティックな技術は、分散シフトファイバの使用を含み、これは特定の波長でクロマチック分散を呈さないように設計されている。残念なことに、特定の光通信システムでは、約40チャネル以上あって、約0.8nmから約1nm増加する間隔のチャネル中心波長を有する。実例として、40チャネルシステムは、約1530nmから1570nmの範囲でチャネル中心波長を有し得る。1550nm波長チャネルでは、他の影響を妨げるようなクロマチック分散はほとんど、若しくは、全くない。しかしながら、より短い中心チャネル波長を有するチャネルにおいては、正のクロマチック分散が導入され、一方、より長い中心チャネル波長を有するチャネルにおいては、負のクロマチック分散が導入される。したがって、クロマチック分散の補償は、このスタティックなCD補償技術を使用して40チャネルのシステムの全てに亘って実現することは容易ではない。
【0007】
上記した技術がクロマチック分散の補償で若干の成功を得るとしても、これらの解決は光学系の時間依存変化を処理できない。さらに、これらの解決は、システムのクロマチック分散についての演繹的な知識を必要とする。したがって、従来のスタティックな解決方法は、ある光信号のクロマチック分散のダイナミックな変化を取り扱うことができないばかりでなく、これらの解決方法は、様々な光学系に直ちに適用できないのである。
【0008】
したがって、必要なことは、上記されたスタティックなクロマチック分散技術の欠点を克服する光ネットワークにおけるクロマチック分散の補償のための方法と装置である。
【0009】
【発明の概要】
本発明の典型的な実施例によれば、光学系のクロマチック分散を検波するための光デバイスが開示される。当該光デバイスは受信機を含み、受信機は光信号を複数の周波数成分を有する電気信号に変換する。バンドパスセクションは、電気信号の複数の周波数成分を抽出する。周波数成分の各々は、対応する電圧レベルを有する。
【0010】
典型的な他の実施例によれば、クロマチック分散を補償する装置が開示される。当該装置は、光信号を電気信号に変換する検波器と、検波器から出力を受け取るコントローラと、コントローラからの入力に基づいて調整的なクロマチック分散を導く分散補償器とを含む。
本発明の典型的な他の実施例によると、また、クロマチック分散を補償する方法が開示される。図示された方法は、光信号の一部を第1の周波数成分を有する電気信号に変換するステップと、各々の第1の周波数成分を第2の周波数成分と比較するステップとを含む。消失した周波数成分が光信号に再度、導かれて、その結果として、クロマチック分散は実質的に光信号においてゼロとなる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付図面と併せて以下の詳細な説明から最もよく理解される。図面において、さまざまな特徴は、必ずしも大きさ通りに描かれているとは限らない。実際、さまざまな特徴の寸法は、ここでの議論を明確にするために任意に大小され得る。
【0012】
以下の発明の詳細な説明の記載においては、説明のためであってこれに限定されるものではなく、具体的な詳細を開示する典型的な実施例が本発明の完全な理解を提供するために記載されている。しかしながら、これらの具体的な詳細から逸脱するような他の実施例においても本発明が実践され得ることは、当業者であれば明らかであろう。また、周知のデバイス及び方法の詳細な説明は、本発明が不明瞭とならないように省略される。
【0013】
図2を参照すると、リアルタイム検波及びフィードバック制御システム200が最初に記載される。本発明の実施例によれば、リアルタイム検波及びフィードバック制御システム200は、動的に光信号のクロマチック分散を補償する。201の信号は、分散補償器202への入力であって、信号出力203はその他の光学系(図示せず)に続く。議論のために、光学系は光ファイバコミュニケーションシステム、例えば有線テレビ(CATV)の如きであってもよい。もちろん、光ファイバコミュニケーションシステムは単に図示のためだけであって、本発明は他の光学伝送媒体、例えばプレーナ型光導波路を取り入れた他の光伝送システムに組み込まれてもよい。
【0014】
信号出力203の一部分(若しくは、サンプル)は、従来からある光タップ204を経て分岐されて、検波器205に入力する。検波器205は、光信号の分岐部分を電気信号に変換し、これは詳細に以下に議論される典型的な技術によって処理される。電気信号206は、検波器205からの出力であって、コントローラ207への入力である。コントローラ207は、少なくとも1つのアナログ−デジタルコンバータ(A/Dコンバータ)とマイクロプロセッサ(例えば、ディジタル信号プロセッサ(DSP))とを含み得る。
【0015】
本願明細書において更に詳細に記載されるように、検波器205の出力信号206は、クロマチック分散の結果として消失する周波数成分を有してもよい。特に、これらの周波数成分は、クロマチック分散により振幅を減じられ、若しくは、完全に消失され得る。コントローラ207は、いずれの周波数成分が大きさを減じられ、又は、光信号から消失させられるかを決定して、コントローラコマンド208を経てこれらの周波数成分を分散補償器202に再度、導く。このように、検波器205は電気領域のクロマチック分散のこの度合いを補償し、そして、コントローラ207は、(再び、電気領域において)クロマチック分散により消失した、若しくは、振幅を減じられたフーリエ周波数成分を「再導入」することで分散のこの程度を補償する。分散補償器202は、コントローラ207からの入力に基づいて、信号出力203に(光領域の)消失若しくは減じられた成分を再導入して、クロマチック分散を修正する。
【0016】
図2に示される典型的な実施例において、クロマチック分散の修正のいくつかは、例えば分散補償モジュール(図示せず)の使用の如き、スタティック補償技術によってなされてもよく、これは、分散シフト化ファイバのような分散補償ファイバを取り入れてもよい。本発明の分散補償器202は、クロマチック分散を変化させる時間を変化させ、これは光ネットワークの通常の使用による温度変動により生じてもよい。図2に示す実施例のリアルタイム検波及びフィードバック制御システム200は、あるCD生成源となるクロマチック分散を動的に補償する。例えば、光伝送システムの温度変動は、CDを生じ得る。最後に、図2に示した実施例の分散補償器202は、チャープ化ファイバブラッググレーティング(FBG)であってもよく、これは、201の信号に正又は負のクロマチック分散のわずかな増加を導くことによって補償し、信号出力203のクロマチック分散の量を実質的に減じる。当業者であれば直ちに理解されるように、正又は負のクロマチック分散の増加初期の大きさは、一般的にシステム依存である。
【0017】
図3を参照すると、本発明の典型的な実施例による電気検波器の概略(ブロック)線図が示される。図3の検波器は、フィードバック制御ループの測定装置として使用され得る点に注意することが重要である。例えば、図3に示される電気検波器は、図2のリアルタイム・フィードバック制御システム200の検波器205として使用され得る。しかしながら、図3に示された実施例の検波器は、また、単独で使用され得るデバイスであり得て、光信号のクロマチック分散の量の連続的な計測値を提供する。例えば、検波器205は、製造時にファイバの特性CDの計測を行うための単独で使用されるデバイスとして使用され得る。これらのデータは、参考のためにファイバの購入者に与えられ得る。
【0018】
図3に示す実施例において、入力光信号300は、受信デバイス301で受け取られて、電気信号に変換される。受信デバイス301は、従来の光−電子検波器(例えばPIN検波器)であって、例としては、振幅検波器である。検波器301の電気出力は、閉ループ形態の可変ゲイン増幅器(VGA)302へ入力される。VGA 302は、信号分割に先立って配置され、バンドパスフィルタエレメント303に対して一定の合成信号レベルが提供されることを確実にする。制御電圧(Vcontrol)は、受け取られた信号に生じ得る変化に関係なく、VGA 302から実質的に一定の信号出力レベルを維持するために使用される。これはフィルタ素子303の最低周波数バンドパスフィルタBP1の振幅をモニタすることで達成され、これは具体的には光信号のレベルを監視するチャネルとして使用される。バンドパスフィルタBP1からのこの検波チャネル出力は、コントローラボード(図示せず)に送出され、基準電圧と比較される。入力光信号300の電圧レベルが振幅変化するとき、BP1からの出力チャネルがこれにより変化する。BP1が最も低い周波数バンドパスフィルタを有するので、その出力信号レベルはクロマチック分散又は偏光モード分散によって大きな影響を受けない。コントローラボードはこのチャネル出力をモニタして、それを最初のキャリブレーションの間にセットされた基準電圧と比較する。この差が光信号レベル変化により検波され、コントローラボードがこの差と比例する制御電圧を出力し、BP1チャネル出力間の差までVGAのゲインを調整するとき、このコントローラボード基準電圧は、実質的にゼロである。このことにより、ゲイン調整器閉ループ関数は、検波器及びコントローラボードが光信号レベルバリエーションのために誤ったCD計測値を生じないようにする。
【0019】
VGA 302による増幅の後、信号はバンドパスフィルタ303に供給されてスペクトル的に分離される。特に、300の信号の複数の周波数成分が抽出される。このために、従来技術において当業者であれば直ちに認識されるように、受信機301からの電気信号は、実例としてマイクロ波周波数領域にある。それは約10×109Hz(10GHz)まで、非常に低い周波数(DC)にわたるスペクトルの又は周波数成分を有する。バンドパスフィルタ303は、受信機301から電気信号の一部のスペクトルを各々通過するように選択される。例えば、kHzのオーダーで、BP1と称されるフィルタは、下端の周波数成分を透過し得て、一方、例えば、GHzオーダーでのバンドパスフィルタBP1は、ハイエンド周波数を通過するように設計されている。図3に示す実施例において、バンドパスフィルタ303は、狭帯域バンドパスフィルタであって、フィルタの中心周波数のうちの少なくとも3つが入力信号の3dB帯域幅の範囲内にあるように周波数離間された通過帯域を有する。
【0020】
増幅器304は、バンドパスフィルタ303の出力の振幅を増幅し得る。増幅器304(若しくは、増幅器ゲインブロック)は、個々のバンドパスフィルタを通り抜けたスペクトルの各々の部分のパワーが相対的に小さくなるように、信号を増幅するのに役立つ。実施例において、増幅器304は約50dBのゲインを有しており、一般にブロードバンド増幅器である。このように、増幅器304はバンドパスフィルタ303の各々と同一でもよい。増幅器304がブロードバンドであるので、バンドパスフィルタBP1、BP2−BPnを有する他のフィルタ段階305を含むことは、スペクトルの品質を確実にして、増幅行程によって生じる疑似信号を除去するために有益である。これらのバンドパスフィルタ305は、バンドパスフィルタ303と同一である。増幅器304は、多段ブロードバンド増幅器であって、増幅器及びフィルタ領域304、305にそれぞれ続く回路での使用に十分に高い信号のレベルを設定するために使用される。最後に図示の目的で、4つのバンドパスフィルタ(すなわちn=4)は、10%の帯域幅を各々有し、約10GHzまでのほぼDCの全体のバンドパスを有するバンドパスフィルタ303、305を使用し得る。
【0021】
バンドパスフィルタ305の出力は、Vout= V2 inによって特徴づけられる伝達関数を有する二乗検波器306にそれぞれ供給される。実施例として、二乗検波器306は、GaAsベースのショットキーバリヤ検波器である。このように、二乗検波器306の各々の出力電圧(Vout)は、入力電圧(Vin)の自乗に等しい。故に、検波器出力電圧は、続くバンドパスフィルタの各々からの入力パワーに正比例する。本願明細書で充分に記載されるように、二乗検波器306は、大きさを減じ若しくはクロマチック分散のために無効にされた光信号のスペクトル又は周波数成分を識別する有益な役割を演ずる。ローパスフィルタ307は、二乗検波器の出力を「円滑化」するように設計されたゲインを有するアクティブ・ローパスフィルタである。したがって、これらのローパスフィルタ307は、二乗検波器306からの出力電圧の変動及び変化をを最終的に除去する。
【0022】
ローパスフィルタ307の出力電圧レベルは、A/Dコンバータ308への入力のため、そして、最終的にデジタル信号プロセッサ309に使用される実用的なレベルにDC出力をシフトする。A/Dコンバータ308は、ディジタル信号プロセッサ309にそれぞれのローパスフィルタ307からの信号を入力する。図3の検波器がリアルタイム検波及びフィードバック制御ループで使われる典型的な実施例において、ディジタル信号プロセッサ309は、クロマチック分散補償器(例えば、分散補償器202)に修正電圧(誤差電圧とも称する)を供給するために使用され得る信号310を出力する。あるいは、図3の検波器が、上記されたようにスタンドアロンデバイスとして使用され得る。
【0023】
本願明細書での議論によって認められるように、例えば、ディジタル信号プロセッサ309により更なる使用のために処理されるであろうバイナリワードに、A/Dコンバータ308は、ローパスフィルタ307から入力アナログ電圧のサンプルを抽出して、変換させる。DSP309又は等価マイクロプロセッサは、A/Dコンバータからの入力信号を処理して、受け取った信号に存在するクロマチック分散の量の計測値を復元する。例えば、この測定値は、ダイナミックなフィードバック制御アルゴリズムの処理に適しており、クロマチック分散の補償を提供する。
【0024】
図3に示した実施例の検波器デバイスは、信号の時間領域特性及び周波数領域特性がパーシバルの法則により関連付けられ得る法則に則って動作する。パーシバルの法則は、時間に対する信号のパワーが周波数に対する信号のパワーと等しいとしている。例えば、所与の時間依存信号ν(t)について、
【0025】
【数1】
【0026】
ここで、Cnはν(t)のフーリエ展開の係数である。
【0027】
【数2】
【0028】
上記したパーシバルの法則の理解から、特定の信号の各パワー成分について式(2)によって与えられるフーリエ係数があることが明らかである。すなわち、式(2)のフーリエ係数の1つ以上が大きさを減じられるか、若しくは、ゼロ(本実施例ではCDによる)であるとすれば、周波数領域の対応するスペクトル成分も大きさにおいて減じられ、又は全く除去されるであろう。このようにして、信号の当該成分は消失する。この特性は、周波数領域から計測される時間領域効果の判定を可能にする。
【0029】
図4を参照すると、電気領域に変わって図3のローパスフィルタ307により処理された非ゼロ復帰パルスからなる理想的な光信号が400の振幅エンベロープ及びf1、f2、f3 ... fnで示される周波数成分401を有するだろう。もちろん、時間領域において、これは例えば図1の101,102及び103で示される如きバイナリの光信号である。時間領域特性は、クロマチック分散による光パルスの拡幅に現れる。パーシバルの法則から、周波数領域において、時間領域のパルスの拡幅は、大きさの減少又はスペクトル成分401のうちの1つ以上の消失に現れる。フーリエ級数の理解から、これは大きさの減少又は式(2)の対応するフーリエ係数Cnの除去で最終的に明らかとなる。周波数パワースペクトルのスペクトルの成分のうちの1つ以上の減少又は除去は、しばしば「ホールバーニング」と称する特性方法でスペクトルを変化させる。
【0030】
図5を参照して周波数に対する振幅で光信号の出力が示される。グラフ501はクロマチック分散を経ない典型的な信号を表す。しかしながら、図示された502は、「ホールバーニング」が503で生じ始めたことを示している。このために、特定の周波数のまわりの振幅(パワー)の減少は、その周波数での信号に含まれるクロマチック分散の量に直接的に関連する。スペクトルのホールの特徴は、ちょうど基本成分の前で周波数スペクトルのより高い端部から入り、分散が増加するにつれてより低い周波数成分へ向けて単調に通り抜ける。これは、信号に存在する分散の量の判定を可能にする。実施例として、フィルタの範囲は、信号のスペクトル範囲に集合的に広がっており、この移動の観察を許容する。クロマチック分散の量が時間領域で増加するとき、ホールは周波数領域のより低い周波数へ「移動」する。これは、信号に存在するクロマチック分散の量の判定を可能にする。
【0031】
本発明によって、消失若しくは減じられたスペクトル(又は、周波数)成分は、直ちに識別され得て、故に、ダイナミックな方法でクロマチック分散を補償した光信号に最終的に再導入される。この目的で、理想的な信号(例えば図4に示された如き)の各々のスペクトル成分のパワーが決定され得る。信号を図3の典型的な実施例の検波器を使用して、信号をスペクトル成分に分割することによって、ローパスフィルタ307からの出力は、信号の各々の特定のスペクトル成分のパワーを生じるだろう。このスペクトルの成分パワーレベルは、クロマチック分散を有しない理想的な信号のそれと比較される。この比較によって、クロマチック分散のある程度の補正が実行され得る。図2のリアルタイム検波及びフィードバック制御ループ200でのクロマチック分散の修正は、理想的な信号の「消失した」スペクトル成分を再導入することで達成され得る。再び、図2で示される実施例において、これはA/Dコンバータ(図3の308)からの信号を誤差電圧に変換することで達成され得る。誤差電圧は分散補償器202(例えば、ファイバブラッググレーティング(FBG))を制御するために使用され得る。
【0032】
図2に示す実施例において、簡潔に上記したように、図2の実施例による分散補償器202は、フィードバック制御ループの検波器と連動して使われるときに、「リアルタイム」修正をクロマチック分散に与え得る。このように、図2及び3の典型的な実施例において、「リアルタイム」では、分散補償器がクロマチック分散の原因である。このクロマチック分散は、光ネットワークのダイナミックな変化(例えばネットワークにおける温度変動)から生じ得る。しかしながら、上記したクロマチック分散補償技術が有効にスタティッククロマチック分散補償デバイス(例えば分散補償モジュール、より完全に上で議論されるように、これはスタティック補償技術である。)を含み得ることは特に重要である。
【0033】
最後に、ここに開示の本発明は、特に、より高い周波数データ速度のアプリケーションのクロマチック分散の「リアルタイム」修正にとって有用である。例えば、光信号のデータ信号速度が10Gbit/secオーダーであるとすれば、方形波信号は100ピコ秒のオーダーの周期を有する。このデータ信号速度で、光学系の温度変動は、50ピコ秒オーダーのクロマチック分散を導き得る。クロマチック分散のこのレベルは、明らかに容認できなくて、非常に高いビットエラーレートを結果として生じる。ここに開示の本発明は、図3に示した検波器を取り入れた「リアルタイム」フィードバック制御による10Gbit/secよりも大なるデータ速度でクロマチック分散の修正を可能にする。図3に示された典型的な実施例によれば、リアルタイムで、検波器は特定の動作範囲に亘って±1%パーセントオーダーの精度を呈する。
【0034】
本発明を詳述してきたが、本発明は様々な方法で変化してもよいことは当業者にとって直ちに明らかだろう。この種のバリエーションは、本発明の範囲から離脱していると見なされることはない。当業者にとって明らかであるように、ここに開示の利点を有する全ての変更態様は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図1】バイナリ光信号でのクロマチック分散の影響を示しているグラフである。
【図2】本発明の典型的な実施例によるクロマチック分散補償器を取り入れたリアルタイム検波及びフィードバック制御システムの図である。
【図3】本発明の典型的な実施例による電気検波器のブロック図である。
【図4】本発明の典型的な実施例によるバイナリ信号のパワースペクトルのグラフである。
【図5】光信号のクロマチック分散による信号スペクトルの変化を示すグラフである。
【符号の説明】
200 フィードバック制御システム
202 分散補償器
205 検波器
207 コントローラ
301 受信デバイス
302 可変ゲイン増幅器
303、305 バンドパスフィルタ
304 増幅器
306 二乗検波器
307 ローパスフィルタ
308 A/Dコンバータ
309 デジタル信号プロセッサ
Claims (21)
- 光信号を複数の周波数成分を有する電気信号に変換する受信機と、各々が対応する電圧レベルを有する前記複数の周波数成分を抽出するバンドパスセクションと、を含むことを特徴とするクロマチック分散を検波するための光デバイス。
- 前記受信機は、光−電子デバイスを含むことを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
- 前記光−電子デバイスは、PIN検波器であることを特徴とする請求項2記載の光デバイス。
- 前記バンドパスセクションは、複数のバンドパスフィルタを含むことを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
- 前記複数のバンドパスフィルタの各々は、前記電気信号のスペクトルの一部を透過することを特徴とする請求項4記載の光デバイス。
- 前記ゲインセクションは、複数の二乗検波器を含むことを特徴とする請求項4記載の光デバイス。
- 前記周波数成分は、約10GHzまでの約1D.C.の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
- 前記周波数成分のうちの1つに対応する前記電圧レベルの各々は所定の電圧レベルと比較され、前記電圧レベルを前記所定の電圧レベルと比較することによって前記光信号のクロマチック分散が決定され得ることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 光信号の少なくとも一部を電気信号に変換する検波器と、
前記検波器からの出力を受信するコントローラと、
前記コントローラからの命令に基づいて調整的なクロマチック分散を導く分散補償器とを含むことを特徴とする光信号のクロマチック分散を補償する装置。 - 前記検波器からの前記出力は、複数の電圧を含み、前記複数の電圧の各々は、前記電気信号の周波数成分に対応することを特徴とする請求項9記載の装置。
- 前記複数の周波数成分の各々を増幅するゲインセクションを含むことを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記分散補償器はチャープされたファイバブラッググレーティング(FBG)を含むことを特徴とする請求項9記載の装置。
- 前記コントローラは、ディジタル信号プロセッサ(DSP)を含み、前記DSPは、基準のパワースペクトルに対する前記検波器の前記出力との比較に基づいて、前記分散補償器に誤差電圧を出力することを特徴とする請求項9記載の装置。
- 前記基準は、実質的にクロマチック分散を有さない信号のパワースペクトルであることを特徴とする請求項13記載の方法。
- 光信号のクロマチック分散を補償する方法であって、前記方法は、
少なくとも前記光信号の一部を電気信号に変換するステップと、
前記電気信号を所定の電気信号と比較するステップと、
クロマチック分散が前記光信号において実質的にゼロとなるように調整されたクロマチック分散を前記光信号に導くステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 前記電気信号は第1周波数成分を有し、前記所定の電気信号が第2周波数成分を有することを特徴とする請求項15記載の方法。
- 前記第1周波数成分が前記第1電圧レベルに対応し、第2周波数成分が前記第2電圧レベルに対応することを特徴とする請求項16記載の方法。
- 前記第2電圧レベルが所定の電圧レベルに対応し、前記第1電圧レベル及び前記第2電圧レベルが比較されて前記光信号のクロマチック分散を検波することを特徴とする請求項17記載の方法。
- 前記消失した周波数成分を導く分散補償器を含むことを特徴とする請求項15記載の方法。
- 前記分散補償器は、ファイバブラッググレーティング(FBG)であることを特徴とする請求項18記載の方法。
- 前記第2周波数成分は、実質的にクロマチック分散を有さない光信号に対応することを特徴とする請求項16記載の方法。
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