JP2008067239A

JP2008067239A - 光伝送方法、光伝送システム、および光送信器

Info

Publication number: JP2008067239A
Application number: JP2006244851A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamada; 崇史山田; Shunji Kimura; 俊二木村; Hirotaka Nakamura; 浩崇中村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】光信号パワーを増大可能にしてＳ／Ｎ比を改善し感度を向上させるとともに、中間レベルにおいても雑音を抑制できるようにする。
【解決手段】各チャネルｃｈ１〜ｃｈＮから入力する２値信号を、光源・変調器１１₁〜１１_Nにより個々に２値光信号に変換し、その２値光信号を光合波器１２で合波し多値光信号として、光ファイバ３０で光受信器２０に送出する。光受信器２０は光検出器２１で多値光信号を電気信号に変換し、１つの多値電気信号を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信の多重化方式にかかり、特に経済的に伝送容量を増加させる光伝送方法、光伝送システム、および光送信器に関するものである。

通信方式において、ネットワークの効率化を図るため多重化が行われている。多重化とは、複数の情報信号を１つの伝送路にまとめて伝送することである。光通信における主な多重化の方式には、１つのチャネルを時間ごとにわけて複数の情報信号を伝送する時分割多重（ＴＤＭ）、信号ごとに異なる光の波長を割り当てる波長分割多重（ＷＤＭ）、信号ごとに固有の符号を用いて信号を束ねる符号分割多重（ＣＤＭ）などがある。これらの方式は組み合わせて使われることもある。

一方、伝送路に信号を送るには、情報信号の変化に応じて電磁波のパラメータを制御することで実現する。この操作を変調と呼び、制御するパラメータには振幅、位相、周波数などがある。

多重化方式、変調方式それぞれの観点から伝送容量を増加させることを考える。多重化方式の観点からは、ＴＤＭ方式ではチャネルの伝送速度を上げる、ＷＤＭ方式はチャネルつまり波長を増やす、ＣＤＭ方式は符号長を増やす、といった方法が考えられる。また、変調方式の観点からは、周波数、位相、振幅といった変調するキャリアのパラメータの取り得る値を増やすといった方法が考えられる。

光通信方式において経済的に伝送容量を上げる場合、各多重方式、変調方式には以下のような課題がある。

まず、多重化方式のＷＤＭにおいて波長を増やすと、受信側で波長フィルタを用いて波長ごとに信号を分割し、光・電気変換を行うため、使用波長数分の波長フィルタと光・電気変換部が必要となるため、コストがかかる。次に、ＣＤＭにおいて符号長を増やすことを考える。光のＣＤＭ方式には周波数領域による符号化と時間領域による符号化がある。周波数領域による符号化を行う場合には、波長による多重化方式と同様に複数の波長を用いるため、波長フィルタや光源が増加する。時間領域で多重化する場合には、ＴＤＭ方式と比較して光デバイスを用いた符号器、復号器が必要となる。次に、ＴＤＭにおいて信号速度を上げると、Ｓ／Ｎ比の悪化を防ぐために、コストのかかる光アンプなどを用いて光信号を増幅する必要がある。

次に、変調方式の観点から伝送容量を経済的に増加させることを考える。変調方式には、前記したようにキャリアの周波数、位相、振幅を変調する方式があるが、周波数や位相を用いるものは、コヒーレントな系を構築する必要があり、系が複雑になる。そのため、振幅変調を用いて取り得る値を増やす（＝多値化）方式が有望である。

このように、振幅を多値変調する方式に特許文献１に記載のものがある。この方式では、図６に示すように、光送信器１００において、Ｎ個のチャネルｃｈ１〜ｃｈＮのそれぞれの２値信号（２値電気信号、以下同じ）入力を入力して、ＤＡ変換器１１０により電気のレベルで多値化（アナログ化）を行い、増幅器１２０で増幅した後に、半導体レーザ１３０で光信号に変換し、光ファイバ３００に送出する。光ファイバ３００を経由した多値光信号は、光受信器２００において、光・電気変換器２１０により多値信号となり、増幅器２２０で増幅された後に、ＡＤ変換器２３０において、多値信号からＮ個のチャネルｃｈ１〜ｃｈＮの２値信号に復元され、取り出される。このように、多値化することによつて、同じ伝送容量をもつ２値信号方式と比較して、信号の持つ周波数が低くなるため、光受信器２００の増幅器２２０の帯域を狭くすることにより、２値信号に比べてＳ／Ｎ比が改善するはずである。
特開平８−０７９１８６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方式では、多値化信号を検出することによる感度の劣化が生じるため、結果としてＳ／Ｎ比は改善しない。そこで、光信号パワーを増加させる方法が考えられるが、特許文献１に記載の方式は、単一の半導体レーザしか用いていないため、レーザの光出力パワーに上限があり現実的ではない。

さらに、一般に変調器は入力に対して出力が飽和する特性を持っており、その飽和特性を使うことで、図７(a)に示すように、電気における雑音を抑制している。しかしながら電気領域で多値化する場合、この雑音抑制法を有効に用いることができない。例として０，１，２の３値を用いた場合の変調器の入出力特性を図７（ｂ）に示す。０レベルと最大レベル（この場合は２レベル）以外の中間レベル（この場合は１レベル）において、雑音は抑制されないことがわかる。これにより、さらなる感度の劣化、Ｓ／Ｎ比の劣化を引き起こす。

本発明の目的は、伝送される光信号パワーを増大可能にしてＳ／Ｎ比を改善し感度を向上させるとともに、中間レベルにおいても雑音を抑制できるようにした光伝送方法、光伝送システム、および光送信器を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明の光伝送方法は、複数の２値光信号を合波した多値光信号を１つの光受信手段で受光することで１つの多値電気信号に変換することを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の光伝送方法において、前記複数の光信号の光周波数を各々異なる周波数とし、各周波数間の周波数差を前記光信号の信号レート周波数よりも大きく設定したことを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載の光伝送方法において、前記光受信手段を複数備え、前記複数の多値光信号を分岐して、前記複数の光受信手段で受光されるようにしたことを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項１、２又は３に記載の光伝送方法において、１つの２値電気信号を所定ビット数単位で複数に分離した後に、分離されたそれぞれを２値光信号に変換することで、前記複数の２値光信号を生成することを特徴とする。
請求項５にかかる発明の光伝送システムは、複数の２値電気信号を複数の２値光信号に変換する複数の光変調器、および該複数の光変調器で変調された複数の光信号を合波して多値光信号とする光合波器を備える光送信器と、該光送信器の出力光信号を伝送する光伝送路と、該光伝送路で伝送されてきた多値光信号を受光して１つの多値電気信号に変換する光検出器を備える光受信器と、を有することを特徴とする。
請求項６にかかる発明は、請求項５に記載の光伝送システムにおいて、前記複数の光変調器の光信号の光周波数を各々異なる周波数とし、各周波数間の周波数差を光信号の信号レート周波数よりも大きく設定したことを特徴とする。
請求項７にかかる発明は、請求項５又は６に記載の光伝送システムにおいて、前記光受信器が複数備えられ、該各光受信器が前記光伝送路に対して光スプリッタと別の光伝送路によって接続されていることを特徴とする。
請求項８にかかる発明は、請求項５，６又は７に記載の光伝送システムにおいて、前記光送信器が、１個の２値電気信号を所定ビット数単位で複数の２値電気信号に分離するシリアル・パラレル変換器を含み、該シリアル・パラレル変換器から出力する複数の２値電気信号を前記複数の光変調器に入力するようにしたことを特徴とする。
請求項９にかかる発明の光送信器は、請求項４に記載の光伝送方法に適用される光送信器であって、入力された１個の２値電気信号を所定ビット数単位で複数の２値電気信号に分離し、該分離された該複数の２値電気信号に基づき前記複数の２値光信号を生成することを特徴とする。

本発明によれば、特許文献１に記載の電気レベルで多値化した方式と比較して、中間レベルにおいて雑音を抑制することができる。また、特許文献１に記載の方式と比較して、複数の光信号を合成することで光信号パワーを増加させるため、Ｓ／Ｎ比を改善して、感度を向上させることができる。

本発明では、送信光信号パワーの増加と中間レベルの雑音抑制の両方の課題を解決するために、複数の光源・変調器（＝光変調器）で得られる複数の２値光信号を合波して１個の多値光信号とする。多値の光信号の出力レベルは１レベルを出力する光源・変調器の個数で制御する。

＜第１の実施例＞
図１は、本発明の光伝送方法を実現する光伝送システムの１つ実施例を示す図である。光送信器１０は、電気信号を光信号に変換するＮ個の光源・変調器１１₁〜１１_Nと、その各光源・変調器１１₁〜１１_Nで得られた光信号を合波する光合波器１２とを備える。光合波器１２は光伝送路である光ファイバ３０によって光受信器２０の光検出器２１と接続されている。光受信器２０は、光信号を電気信号に変換する光検出器２１と、変換された電気信号を多値論理符号に変換するＡＤ変換器２２とを備える。

光送信器１０の光源・変調器１１₁〜１１_Nは、Ｎ個のチャネルｃｈ１〜ｃｈＮの２値信号を入力して２値光信号に変換し、光合波器１２へと出力する。光合波器１２ではすべての光源・変調器１１₁〜１１_Nの２値光信号を合波して多値光信号とし、光ファイバ３０へと伝送する。光受信器２０においては、合波された多値光信号パワーを光検出器２１によって電気信号に変換する。変換された電気信号はアナログの多値信号であり、ＡＤ変換器２２によって多値論理符号に変換される。

単一のレーザ（光変調器）を用いた場合、光出力を一定値以上に大きくすることができない。このような条件下での変調特性を図２に示す。横軸は多値信号入力、縦軸は光源・変調器の最大光出力で規格化した光出力である。ここでは飽和による効果を無視するために、直線的な変調特性を仮定している。図２（ａ）は１個の光源・変調器で３値変調した場合であり、光出力は最大１である。雑音は各レベルに等しく分散値σ²のガウス雑音を仮定する。

次に、３個の光源・変調器を用いた場合の変調特性を図２（ｂ）に示す。ここでは、３個の光源・変調器を用いているため、いずれの光源・変調器も信号入力が０レベルのときは光出力が０に、いずれか１個の光源・変調器の信号入力が１レベルのときは光出力が１に、いずれか２個の光源・変調器の信号入力が１レベルのときは合成入力は２レベルであり光出力が２に、３個全部の光源・変調器の信号入力が１レベルのときは合成入力は３レベルであり光出力が３に、それぞれ合成される。信号入力の１レベル、２レベルにおける光出力２，３では、複数の光源・変調器の雑音が加わるため、分散値は大きくなる。

これらの図２(a)、(b)の光出力のＳ／Ｎ比＝（光出力）²／σ²を比較すると、最大レベルで等しく、小さいレベルほど本発明の方が大きくなることがわかる。このように、複数の２値信号を複数の光変調器を用いて複数の２値光信号とし、これらを光合波器１２で合波して多値光信号とし、これを１つの光受信器２０の光検出器２１で受光することで合成し、１つの多値信号に変換する光伝送は、伝送される光パワーが大きくなるので、１個の光源・変調器を用いる従来方式よりも受信誤りを低減することが可能である。

＜第２の実施例＞
本発明の第２の実施例を説明する。複数の光源・変調器を用いる場合、それぞれの光源の光周波数（波長）を異ならせると、光検出器２１において、その光周波数差で正弦状に変化する信号が検出される。この周波数差が信号レート周波数より十分大きくなければ、ビート雑音となり受光感度を劣化させる。そこで、各光源・変調器１１₁〜１１_Nの光源を、互いに十分に光周波数差のある光周波数の光源とする方式を提案する。

一般的に、光受信器２０の増幅器（図１では図示せず）では、雑音の影響を抑えるために、信号レート周波数と増幅器のカットオフ周波数は近い値に設定される。そこで、各光源・変調器１１₁〜１１_Nの光源間の光周波数差を信号レート周波数よりも大きく設定することで、光受信器２０の増幅器によってビート雑音の影響を削減することが可能となる。

＜第３の実施例＞
本発明の第３の実施例を説明する。本実施例は、図１の光伝送システムの光送信器をより具体化した実施例である。図３に、３値変調の光送信器１０Ａの構成とその変調特性を示す。光送信器１０Ａは、図３(a)に示すように、２つの光源・変調器１１Ａ，１１Ｂと、光合波器１２と、１つのシリアル・パラレル変換器１３を持つ。シリアル・パラレル変換器１３では入力する１つの２値信号（高速２値信号）を、所定ビット数単位で分離することで、２つの２値信号（低速２値信号）に変換する。一般に同じシンボルレートで、Ｒ値の多値信号と２値信号を用いた場合を比較すると、Ｒ値信号は２値信号のlog₂Ｒ倍の伝送容量をもつ。逆に同じ伝送容量で比較すると、Ｒ値信号を用いた場合は２値信号を用いた場合に比較して、シンボルレートを１／log₂Ｒ倍まで下げることが可能である。そのため、図３（ａ）の例では光源・変調器１１Ａ，１１Ｂへ入力される低速２値信号は、最もシンボルレートを落とした場合、光送信器１０Ａへの入力である高速２値信号の１／log₂３倍（＝０．６３０９３倍）のシンボルレートとなる。

このように、同じ伝送容量をもつ２値信号方式と比較して、Ｒ値信号の持つ周波数が低くなるため、光受信器の増幅器の帯域を狭くすることにより、２値信号に比べてＳ／Ｎ比の改善が期待できる。

シリアル・パラレル変換器１３を含む光送信器１０Ａにおける符号変換の一例を図４に示す。この符号変換では、高速２値信号のｎビットの情報量（２ⁿ）がＲ値ｍビットの情報量（Ｒ^m）以下となるように、ｎ，ｍの値を決定し、符号を割り当てる。図４(a)では、ｎ＝３、ｍ＝２（Ｒ＝３）としている。例えば、（０，１，０）と続く高速２値信号は、（０，２）と続く３値光出力に変換される。このように３値光信号を生成する低速２値信号（パラレル信号）の例を図４(b)に示す。光源・変換器１１Ａ，１１Ｂが（０，０）のときは３値光信号は０レベルであり、（０，１）又は（１，０）のときは３値光信号は１レベルであり、（１，１）のときは３値光信号は２レベルである。このように、３値光信号の１レベルを生成するパラレル信号は、光源・変調器１１Ａ，１１Ｂのいずれか一方が“１”、他方が“０”の光出力のときである。

次に、この光送信器１０Ａによる変調特性について説明する。１レベルを出力する場合は光源・変調器１１Ａ、１１Ｂの一方から１レベルに相当する強度の光が出力し、２レベルを出力する場合は光源・変調器１１Ａ，１１Ｂの両方から１レベルに相当する強度の光が出力する。図３（ｂ）に２つの光源・変調器１１Ａ，１１Ｂを足し合わせた時の３値変調特性を示す。１レベルにおける雑音は、光源・変調器１１Ａから１レベルに相当する強度の光が出力ときは、その光源・変調器１１Ａによるものが支配的である。このときその光源・変調器１１Ａは飽和領域で動作しているため雑音は抑制されている。また、２レベルにおける雑音は光源・変調器１１Ａ，１１Ｂの双方の影響を受けるが、図７（ａ），（ｂ）で説明した半導体レーザ１３０を１つだけ用いる従来の方式を比較すると、信号強度が２倍となっているため、Ｓ／Ｎ比は劣化していない。

＜第４の実施例＞
図５に本発明の第４の実施例を示す。１つの光送信器１０とＭ個の光受信器２０₁〜２０_Mが光ファイバ３０とスプリッタ４０を介して接続されている。光送信器１０は、チャネルｃｈ１〜ｃｈＮ用の光源・変調器１１₁〜１１_Nを持つ。各光源・変調器１１₁〜１１_Nはそれぞれチャネルｃｈ１〜ｃｈＮの２値信号を入力して２値光信号に変換し、光合波器１２へと出力する。光合波器１２ではすべての光源・変調器１１₁〜１１_Nの２値光信号を合波し、多値光信号として、光ファイバ３０へと伝送する。光受信器２０₁においては、光検出器２１によって光信号パワーを電気信号に変換する。変換された電気信号はアナログの多値信号であり、ＡＤ変換器２２によって多値符号化される。他の光受信器２０₂〜２０_Mにおける動作も同様である。

Ｍ個の光受信器２０₁〜２０_Mは、光送信器１０の光出力を時分割／同時に受信することによって、光送信器１０とのユニキャスト／ブロードキャスト通信が可能になる。

本発明の第１の実施例の光伝送システムの構成を示すブロック図である。 (a)は１個の光源・変調器による４値変調の特性図、(b)は３個の光源・変調器による４値変調の特性図である。本発明の第３の実施例の光送信器の構成を示す図で、(a)は３値変調の光送信器の構成を示すブロック図、(b)は３値変調の特性図である。図３の光送信器における光３値変調の説明図で、(a)は２値−光３値変換の説明図、(b)はパラレル−光３値の説明図である。本発明の第４の実施例の光伝送システムの構成を示すブロック図である。従来の光伝送システムの構成を示すブロック図である。 (a)は１個の電気変調器による２値変調の特性図、(b)は１個の電気変調器による３値変調の特性図である。

信号の説明

１０，１０Ａ：光送信器、１１Ａ，１１Ｂ，１１₁〜１１_N：光源・変調器、１２：光合波器、１３：シリアル・パラレル変換器
２０，２０₁〜２０_M：光受信器、２１：光検出器、２２：ＡＤ変換器
３０：光ファイバ
４０：光スプリッタ

Claims

複数の２値光信号を合波した多値光信号を１つの光受信手段で受光することで１つの多値電気信号に変換することを特徴とする光伝送方法。
請求項１に記載の光伝送方法において、
前記複数の光信号の光周波数を各々異なる周波数とし、各周波数間の周波数差を前記光信号の信号レート周波数よりも大きく設定したことを特徴とする光伝送方法。
請求項１又は２に記載の光伝送方法において、
前記光受信手段を複数備え、前記複数の多値光信号を分岐して、前記複数の光受信手段で受光されるようにしたことを特徴とする光伝送方法。
請求項１、２又は３に記載の光伝送方法において、
１つの２値電気信号を所定ビット数単位で複数に分離した後に、分離されたそれぞれを２値光信号に変換することで、前記複数の２値光信号を生成することを特徴とする光伝送方法。
複数の２値電気信号を複数の２値光信号に変換する複数の光変調器、および該複数の光変調器で変調された複数の光信号を合波して多値光信号とする光合波器を備える光送信器と、該光送信器の出力光信号を伝送する光伝送路と、該光伝送路で伝送されてきた多値光信号を受光して１つの多値電気信号に変換する光検出器を備える光受信器と、を有することを特徴とする光伝送システム。
請求項５に記載の光伝送システムにおいて、
前記複数の光変調器の光信号の光周波数を各々異なる周波数とし、各周波数間の周波数差を光信号の信号レート周波数よりも大きく設定したことを特徴とする光伝送システム。
請求項５又は６に記載の光伝送システムにおいて、
前記光受信器が複数備えられ、該各光受信器が前記光伝送路に対して光スプリッタと別の光伝送路によって接続されていることを特徴とする光伝送システム。
請求項５，６又は７に記載の光伝送システムにおいて、
前記光送信器が、１個の２値電気信号を所定ビット数単位で複数の２値電気信号に分離するシリアル・パラレル変換器を含み、該シリアル・パラレル変換器から出力する複数の２値電気信号を前記複数の光変調器に入力するようにしたことを特徴とする光伝送システム。
請求項４に記載の光伝送方法に適用される光送信器であって、
入力された１個の２値電気信号を所定ビット数単位で複数の２値電気信号に分離し、該分離された該複数の２値電気信号に基づき前記複数の２値光信号を生成することを特徴とする光送信器。