JP2005311722A - 光伝送システム及びその送信機並びに受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＯＦＤＭ変復調技術を光伝送の変調手段として導入し、波長分散やモード分散に起因する距離制限と帯域制限を緩和するようにすること。
【解決手段】 送信機１０は、送信されるデータ信号をＯＦＤＭ信号にするＯＦＤＭ変調器１１と、このＯＦＤＭ変調器１１からのＯＦＤＭ信号を光信号に変換するレーザダイオード１２と、このレーザダイオード１２からの光信号を増幅する光増幅器１３とから構成されている。受信機３０は、送信機１０のレーザダイオード１２により変換された光信号を、光ファイバ２０を介して入力され、電気信号に変換するフォトダイオード３１と、このフォトダイオード３１により変換された電気信号を増幅する増幅器３２と、この増幅器３２からの電気信号をＯＦＤＭ信号に復調するＯＦＤＭ復調器３３とから構成されている。送信機１０と受信機３０とは、光ファイバ２０で接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光伝送システム及びその送信機並びに受信機に関し、より詳細には、無線通信や衛星放送で導入されている直交周波数分割多重変復調技術を光伝送の変調手段として導入した光伝送システム及びその送信機並びに受信機に関する。

図５は、従来の光伝送システムの構成図で、非特許文献１に示されているもので、ベースバンド（baseband）伝送と呼ばれる方法を説明するための図である。図中符号４０は送信機、４１はレーザダイオード（ＬＤ）、４２は光増幅器、５０は光ファイバ、６０は受信機、６１はフォトダイオード（ＰＤ）、６２は増幅器、６３は復調器を示している。この図５に示した光伝送システムは、最も簡単と思われる光送受信システムの例であると考えられる。また、基本的にはデジタル伝送にもアナログ伝送にも適用可能である。

図５に示した従来の光伝送システムにおける信号の伝送について以下に説明する。なお、ここではデジタル伝送を例として説明する。
送信すべきデータは、ＬＤ４１へと入力されると、データの値０，１に応じて、ＬＤ４１には、データが０のときにはしきい値程度の電流が印加され、データが１のときにはしきい値を大きく超えた電流が印加される。すなわち、データの０，１は、レーザ光強度の小，大へと変換される。ＬＤ４１の出力光は、次段の光増幅器４２へと入力され、光信号のまま増幅される。これらのＬＤ４１と光増幅器４２を合わせて送信機４０を構成している。次に、送信機４０からの出力光は、光ファイバ５０を経て、受信機６０へと伝送される。この受信機６０内で受信された光信号は、ＰＤ６１で光電変換されたのち、次段の増幅器６２で増幅されて復調器６３で識別再生される。

この光伝送システムを用いた場合、光伝送路としてシングルモード光ファイバを用いれば、波長分散で制限されるビットレートあるいは距離まで伝送可能であると考えられるが、光伝送路がマルチモード光ファイバであったり、シングルモード光ファイバであっても中継点でモード変換が発生したりしていれば、モード分散により帯域は大変小さなものとなる。また、周波数特性自身も一定でなく、温度や光ファイバへかかる応力のような外部環境によって変化しうる。すなわち伝送距離やビットレートが制限される。

図６（ａ）〜（ｄ）は、図５に示した光伝送システムを用いた場合の電力スペクトルを示す図で、図５中の符号ａ〜ｄで示した信号のスペクトルをそれぞれ図６（ａ）〜（ｄ）に示してある。図６（ａ）は送信されるデータの電力スペクトル（電気）、図６（ｂ）は送信されるデータの電力スペクトル（光）、図６（ｃ）は受信された電力スペクトル（光）、図６（ｄ）は受信された電力スペクトル（電気）を示している。

特にかたよりのない普通のオンオフキーイングのデータ自身をスペクトル観測すれば、図６（ａ）のような形状となり、そのデータでＬＤ４１を変調すれば、直流部分がＬＤ４１の発振周波数にシフトし、さらに両サイドバンドにエネルギーを持つ（図６（ｂ）参照）。さて、このレーザ光を理想的でない周波数特性や位相特性をもつ光伝送路を通せば、その周波数特性や位相特性を重ね合わせた形のスペクトルに変形される（図６（ｃ）参照）。この光信号をＰＤ６１などによって光電変換すれば、位相特性の不均一性がさらに影響を与え、電気スペクトルは、光スペクトルの片サイドバンドよりさらに劣悪なスペクトルとなる（図６（ｄ）参照）。ここではアナログ、デジタルに関わらず説明できるようにスペクトルで説明を行ったが、もしアナログ信号であれば光伝送によって周波数特性が劣化したり、デジタル信号であればアイパターンが劣化したりする。

三木哲也、須藤昭一編「光通信ハンドブック」（株）オプトロニクス、平成１４年１月３０日発行、第１１頁、図３

このように、従来の光伝送システムでは、伝送路の周波数特性に非常に敏感であり、特にマルチモード光ファイバを伝送路とする場合には伝送距離やビットレートが小さいという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、無線通信や衛星放送で導入されている直交周波数分割多重変復調技術を光伝送の変調手段として導入することによって、現実の光伝送路でさけることのできない波長分散やモード分散に起因する距離制限と帯域制限を緩和するようにした光伝送システム及びその送信機並びに受信機を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送する光伝送システムにおいて、前記送信機は、送信されるデータ信号を周波数分割多重信号にする直交周波数分割多重変調手段と、該直交周波数分割多重変調手段からの周波数分割多重信号を光信号に変換する電気・光変換手段とを備え、前記受信機は、前記電気・光変換手段により変換された光信号を、光伝送路を介して入力され、電気信号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段により変換された電気信号を周波数分割多重信号からデータ信号に復調する直交周波数分割多重復調手段とを備えていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送する光伝送システムにおいて、前記送信機は、送信されるデータ信号を周波数分割多重信号にする直交周波数分割多重変調手段と、レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源からのレーザ光と、前記直交周波数分割多重変調手段からの周波数分割多重信号を入力する光変調手段とを備え、前記受信機は、前記光変調により変調された光信号を、光伝送路を介して入力され、電気信号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段により変換された電気信号を周波数分割多重信号からデータ信号に復調する直交周波数分割多重復調手段とを備えていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記光変調手段は、光ＳＳＢ変調器であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記光変調手段は、電界吸収型半導体光変調器であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記電気・光変換手段と前記光電変換手段の間のいずれかに光増幅器を設けたことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記レーザ光源と前記光電変換手段の間に光増幅器を設けたことを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送する光伝送システムにおける送信機において、送信されるデータ信号を周波数分割多重信号にする直交周波数分割多重変調手段と、該直交周波数分割多重変調手段からの周波数分割多重信号を光信号に変換する電気・光変換手段とを備えたことを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送する光伝送システムにおける送信機において、送信されるデータ信号を周波数分割多重信号にする直交周波数分割多重変調手段と、レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源からのレーザ光と、前記直交周波数分割多重変調手段からの周波数分割多重信号を入力する光変調手段とを備えたことを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記光変調手段は、光ＳＳＢ変調器であることを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記光変調手段は、電界吸収型半導体光変調器であることを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送する光伝送システムにおける受信機において、前記電気・光変換手段により変換された光信号を、光伝送路を介して入力され、電気信号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段により変換された電気信号を周波数分割多重信号からデータ信号に復調する直交周波数分割多重復調手段とを備えたことを特徴とする。

理想的ではない分散のある光伝送路を線路媒体として用いる光伝送システムにあって、分散耐力が大きい直交周波数分割多重変復調方式を適用した本発明では、同一の媒体を用いた従来の変復調方式と比較して、より遠くまで、また識別再生なしでもより遠くまで、さらにより大きなビットレートの信号を伝送することができる。

また、本発明の光伝送システムは、ベースバンド伝送の光伝送システムより分散耐力にすぐれ、より高速、広帯域な信号を、より遠くまで伝送することができる。すなわち、中継が少なく、その結果として全体が低コストな光伝送システムを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の光伝送システムの実施例１を説明するための構成図で、図中符号１０は送信機、１１は直交周波数分割多重（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；ＯＦＤＭ）変調器、１２はレーザダイオード（ＬＤ）、１３は光増幅器、２０は光ファイバ、３０は受信機、３１はフォトダイオード（ＰＤ）、３２は増幅器、３３は直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）復調器を示している。なお、以下の説明では直交周波数分割多重をＯＦＤＭと言う。

この実施例１の光伝送システムは、光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送するもので、送信機１０においては、送信されるデータ信号をＯＦＤＭ信号にするＯＦＤＭ変調器１１と、このＯＦＤＭ変調器１１からのＯＦＤＭ信号を光信号に変換するレーザダイオード（ＬＤ）１２と、このレーザダイオード（ＬＤ）１２からの光信号を増幅する光増幅器１３とから構成されている。

また、受信機３０においては、送信機１０のレーザダイオード（ＬＤ）１２により変換された光信号を、光ファイバ２０を介して入力され、電気信号に変換するフォトダイオード（ＰＤ）３１と、このフォトダイオード（ＰＤ）３１により変換された電気信号を増幅する増幅器３２と、この増幅器３２からの電気信号をＯＦＤＭ信号に復調するＯＦＤＭ復調器３３とから構成されている。

送信機１０と受信器３０とは光ファイバ２０の光伝送路で接続されており、ＯＦＤＭ変調器１１とレーザダイオード（ＬＤ）１２とフォトダイオード（ＰＤ）３１とＯＦＤＭ復調器３３とが直線状に配列されている。

以下、図１に示した実施例１の光伝送システムの動作について説明する。
まず、送信されるデータは、ＯＦＤＭ変調器１１へ入力されてＯＦＤＭ信号となる。送信されるデータは、最初０，１の２値データであったが、ＯＦＤＭ変調されると周波数が直交する多数のキャリアのオン、オフへと変換される。次に、ＯＦＤＭ信号は、ＬＤ１２へと入力されて電気信号から光信号へと変換される。その後、送信機１０の最終段である光増幅器１３で増幅されて光ファイバ２０へと入力される。光ファイバ２０を通過した信号は、受信機３０内のＰＤ３１にて光電変換される。得られた電気信号は、増幅器３２で増幅されてさらにＯＦＤＭ復号器３３へと入力される。

次に、ＯＦＤＭ変復調器について説明する。
図２（ａ），（ｂ）は、図１に示したＯＦＤＭ変調器とＯＦＤＭ復調器の構成図で、図２（ａ）はＯＦＤＭ変調器、図２（ｂ）はＯＦＤＭ復調器の構成図である。
まず、図２（ａ）に基づいて、ＯＦＤＭ変調器について説明する。
図２（ａ）に示したＯＦＤＭ変調器１１において、符号１１１は直列並列変換器、１１２−１〜１１２−ｎはローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１１３−１〜１１３−ｎは変調器、１１４−１〜１１４−ｎは発振器、１１５はマルチプレクサを示している。

データ信号は、キャリア１本あたりのビットレートを低減するために、直列並列変換器１１１でｎ本の並列信号に分けられる。変調によってキャリアが広がりすぎるのを避けるため、次段のＬＰＦ１１２−１〜１１２−ｎで故意にパルスの立ち上がりと立ち下がりを緩やかなものとする。さて、これらの並列化された信号は、同時に発振器１１４−１〜１１４−ｎと、変調器１１３−１〜１１３−ｎの作用でキャリアの有無へとコーティングされる。ここで、変調器１１３−１〜１１３−ｎとしては、ダブルバランス型変調器を用いた。

発振器１１４−１〜１１４−ｎは、一般には、ｆ１〜ｆｎの等間隔の周波数を発振する。なお、隣接する周波数の間隔とシンボルレートの逆数は等しい。例えば、もともとのデータが１００Ｍｂ／ｓで、ｎ＝８であれば、シンボルレートが１２．５Ｍｂ／ｓで、周波数間隔は１２．５ＭＨｚとなる。並列化されたキャリアは、マルチプレクサ１１５で合波されてＯＦＤＭ信号として出力される。

次に、図２（ｂ）に基づいて、ＯＦＤＭ復調器について説明する。
図２（ｂ）に示したＯＦＤＭ復調器において、符号３３１はマルチプレクサ、３３２−１〜３３２−ｎは復調器、３３３−１〜３３３−ｎは発振器、３３４は並列直列変換器を示している。

入力されたＯＦＤＭ信号は、マルチプレクサ３３１でキャリア周波数ごとに分波される。分波されたそれぞれのキャリアは、変調器と同様にダブルバランス型復調器３３２−１〜３３２−ｎと発振器３３３−１〜３３３−ｎによって、０，１の信号に識別再生される。ここでは依然として、並列信号であるため、改めて並列直列変換器３３４で、直列（時系列）でデータへと変換される。このようにして、ＯＦＤＭ信号の変復調は行われる。

図３（ａ）〜（ｄ）は、図１に示した信号ａ〜ｄにおける電力スペクトルを示す図で、本発明の光伝送システムが光伝送路の分散に強いことを説明するための図である。ＯＦＤＭ変調された電気信号は、図３（ａ）に示される電気スペクトルのように周波数が等間隔のキャリアが並ぶ。この例で示したデータ１００Ｍｂ／ｓ、ｎ＝８、シンボルレート１２．５Ｍｂ／ｓ、周波数間隔は１２．５ＭＨｚで試作した。したがって、キャリアの間隔は１２．５ＭＨｚである。このＯＦＤＭ信号をＬＤ１２に入力して得られたレーザ光の光スペクトルを図３（ｂ）に示す。用いたレーザは、波長１．５５μｍ帯のものなので、一番高く見える主キャリアの周波数は１９３ＴＨｚである。実施例１では、ＬＤ１２の直接変調を用いているため、主キャリアを中心にして両側にＯＦＤＭ信号が見える。

さて、光ファイバに分散があって周波数特性が平坦でなければ、伝送後のスペクトルは分散の影響を受ける。つまり、図３（ｃ）に示すように、ＯＦＤＭ信号のキャリア８本の高さは、送信直後と異なり強度にばらつきが生じる。ＰＤ３１と増幅器３２で電気信号に変換されたＯＦＤＭ信号は、図５（ｄ）に示されるスペクトルとなり、やはり周波数特性の不均一を引継ぐこととなる。

従来例のベースバンド光伝送では、ビットレートが高速になるほど、必要な帯域が広くなり、その結果分散の影響を受けやすかったが、実施例１に示した光伝送システムに基づけば、キャリア１本ごとが占有する帯域が狭いために分散の影響は小さくなる。実施例１の構成の光伝送システムは良好に動作した。

図４は、本発明の光伝送システムの実施例２を説明するための構成図で、図中符号１４は光変調器で、その他、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。上述した実施例２が実施例１と大きく異なる点は、光変調方式の相違である。実施例１ではＬＤの直接変調を用いたが、実施例２では外部光変調器を用いている。

この実施例２の光伝送システムは、送信機１０においては、送信されるデータ信号をＯＦＤＭ信号にするＯＦＤＭ変調器１１と、レーザ光を出射するレーザダイオード（ＬＤ）１２と、このレーザダイオード（ＬＤ）１２からのレーザ光と、ＯＦＤＭ変調器１１からのＯＦＤＭ信号を入力する光変調器１４とから構成されている。

また、実施例２における受信機は、図１に示した実施例１の受信機３０と同様である。また、送信機１０と受信器３０とは、光ファイバ２０の光伝送路で接続されており、レーザダイオード（ＬＤ）１２と光変調器１４とフォトダイオード（ＰＤ）３１とＯＦＤＭ復調器３３とが直線状に配列されている。

ＣＷ（Continuous Wave）光源として使用されるＬＤ１２は、１．５５μｍ帯ＤＦＢ−ＬＤである。また、データ信号は、ＯＦＤＭ変調器１１でＯＦＤＭ信号に変調される。ＬＤ１２から出射されたレーザ光とＯＦＤＭ変調器１１から出力されたＯＦＤＭ信号は、光変調器１４に入力される。光変調器１４として使用した電界吸収型半導体光変調器は、印加する電圧の大小で、その透過率が変化するため、電気のＯＦＤＭ信号をレーザ光の上に変調することができる。

なお、ＯＦＤＭ変調では、光変調器１４や伝送路の線形性を必要とするため、実施例２では、光変調器１４の電圧バイアスを最も線形性のよい電圧に選んだ。この結果、実施例１と同様なスペクトルが各点で観測され、良好なデータ伝送も確認された。

以下に、本発明の光伝送システムの実施例３について説明する。
図示はしないが、実施例２における光変調器として、ＬｉＮｂＯ_３基板上に製作された光ＳＳＢ変調器を用いた光伝送システムを試作した。

高周波領域で光波を自由自在に変調する技術としては、電気光学変調器がある。この電気光学変調器には、搬送波である光波の周波数の高周波側及び低周波側の両方に、変調によるサイドバンド周波数成分の生じる光ＤＳＢ（Double Side Band）変調方式と、情報伝送のために片側のサイドバンドのみを生じさせる光ＳＳＢ（Single Side Band）変調方式がある。このＳＳＢ変調は、古くから商用ラジオ放送などで用いられているが、近年、光波領域の光通信や光計測分野で広く使われており、応用技術の高度化にともなって、光ＳＳＢ変調の重要性が増している。

例えば、光通信においては、情報量あたりの周波数帯域を減らして周波数帯域資源を有効に活用するために、また、光ファイバなどの伝送路の分散による信号劣化を防ぐためにも、占有周波数帯域の小さいＳＳＢ動作の高速光変調器が重要視されている。

この光ＳＳＢ変調器（Single Side Band Modulator；単側波帯変調器）は、搬送波を振幅変調すると、その周波数成分は搬送波を中心にそれよりも高い及び低い周波数の側波帯が生じるが、これらのうち、いずれか一方のみの側波帯を取り出すようにした光変調器である。

上述した実施例２においては、光の主キャリアの両側にＯＦＤＭ信号の側波帯が出たが、実施例３においては、上述したような光ＳＳＢ変調器を光変調器として用いたので、サイドバンドは片側にしか発生しなかった。なお、実施例３においては上サイドバンドのみ発生するようにした。光ＳＳＢ変調器を光変調器として用いた場合も良好に伝送が行え、またさらに分散耐力が増すという効果があった。

本発明の光伝送システムの実施例１を説明するための構成図である。 図１に示したＯＦＤＭ変調器とＯＦＤＭ復調器の構成図で、（ａ）はＯＦＤＭ変調器、（ｂ）はＯＦＤＭ復調器の構成図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１に示した信号ａ〜ｄにおける電力スペクトルを示す図である。 本発明の光伝送システムの実施例２を説明するための構成図である。 従来の光伝送システムの構成図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図５に示した光伝送システムを用いた場合の電力スペクトルを示す図である。

符号の説明

１１ 直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）変調器
１２ レーザダイオード（ＬＤ）
１３ 光増幅器
１４ 光変調器
２０ 光ファイバ
３０ 受信機
３１ フォトダイオード（ＰＤ）
３２ 増幅器
３３ 直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）復調器
４０ 送信機
４１ レーザダイオード（ＬＤ）
４２ 光増幅器
５０ 光ファイバ
６０ 受信機
６１ フォトダイオード（ＰＤ）
６２ 増幅器
６３ 復調器
１１１ 直列並列変換器
１１２−１〜１１２−ｎ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１１３−１〜１１３−ｎ 変調器
１１４−１〜１１４−ｎ 発振器
１１５ マルチプレクサ
３３１ マルチプレクサ
３３２−１〜３３２−ｎ 復調器
３３３−１〜３３３−ｎ 発振器
３３４ 並列直列変換器

Claims (11)

1. 光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送する光伝送システムにおいて、
   前記送信機は、
   送信されるデータ信号を周波数分割多重信号にする直交周波数分割多重変調手段と、該直交周波数分割多重変調手段からの周波数分割多重信号を光信号に変換する電気・光変換手段とを備え、
   前記受信機は、
   前記電気・光変換手段により変換された光信号を、光伝送路を介して入力され、電気信号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段により変換された電気信号を周波数分割多重信号からデータ信号に復調する直交周波数分割多重復調手段とを備え
   ていることを特徴とする光伝送システム。
2. 光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送する光伝送システムにおいて、
   前記送信機は、
   送信されるデータ信号を周波数分割多重信号にする直交周波数分割多重変調手段と、レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源からのレーザ光と、前記直交周波数分割多重変調手段からの周波数分割多重信号を入力する光変調手段とを備え、
   前記受信機は、
   前記光変調により変調された光信号を、光伝送路を介して入力され、電気信号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段により変換された電気信号を周波数分割多重信号からデータ信号に復調する直交周波数分割多重復調手段とを備え
   ていることを特徴とする光伝送システム。
3. 前記光変調手段は、光ＳＳＢ変調器であることを特徴とする請求項２に記載の光伝送システム。
4. 前記光変調手段は、電界吸収型半導体光変調器であることを特徴とする請求項２に記載の光伝送システム。
5. 前記電気・光変換手段と前記光電変換手段の間のいずれかに光増幅器を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光伝送システム。
6. 前記レーザ光源と前記光電変換手段の間に光増幅器を設けたことを特徴とする請求項２に記載の光伝送システム。
7. 光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送する光伝送システムにおける送信機において、送信されるデータ信号を周波数分割多重信号にする直交周波数分割多重変調手段と、該直交周波数分割多重変調手段からの周波数分割多重信号を光信号に変換する電気・光変換手段とを備えたことを特徴とする送信機。
8. 光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送する光伝送システムにおける送信機において、送信されるデータ信号を周波数分割多重信号にする直交周波数分割多重変調手段と、レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源からのレーザ光と、前記直交周波数分割多重変調手段からの周波数分割多重信号を入力する光変調手段とを備えたことを特徴とする送信機。
9. 前記光変調手段は、光ＳＳＢ変調器であることを特徴とする請求項８に記載の送信機。
10. 前記光変調手段は、電界吸収型半導体光変調器であることを特徴とする請求項８に記載の送信機。
11. 光伝送路を介して送信機側から受信機側に向けてデータ信号を伝送する光伝送システムにおける受信機において、前記電気・光変換手段により変換された光信号を、光伝送路を介して入力され、電気信号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段により変換された電気信号を周波数分割多重信号からデータ信号に復調する直交周波数分割多重復調手段とを備えたことを特徴とする受信機。
    

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