JP2008078728A

JP2008078728A - 光伝送装置

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Publication number: JP2008078728A
Application number: JP2006252470A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Ikeda; 大人池田; Toshihiro Otani; 俊博大谷
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-04-03
Also published as: US20080069572A1

Abstract

【課題】光瞬断時に発生する光サージを吸収して受信エラーの発生および素子の破壊を防止する。
【解決手段】主信号の波長をラマン増幅器の励起光の波長とみたときのラマン利得が得られる波長のダミー光を合波器４８において主信号に合波することによって光ファイバ４８に主信号とともに導入し、主信号において発生する光サージのエネルギをＳＲＳ効果によりダミー光に吸収させることによって光サージを吸収する。
【選択図】図６

Description

本発明は、光伝送システムにおいて光瞬断時などに発生する光サージを抑圧する光伝送装置に関する。

一般的に、伝送路として光ファイバを用いた光伝送システムにおいては、長距離伝送を実現すべく、光増幅器を用いた光伝送システムが開発されている。図１に、光増幅器を用いた光伝送システムの基本構成の一例を示す。端局装置１０（送信部）においては、複数の送信器１２からの波長の異なる信号光が光合波器１４において合波されて波長多重信号となり、光増幅器１６で増幅され、光ファイバ１８からなる光伝送路へ送出される。光伝送路の途中には所定の間隔で中継増幅器２０が設けられる。端局装置２２（受信部）においては、光伝送路からの波長多重信号が光増幅器２４において増幅され光分波器２８において個々の波長の信号光に分波されて複数の受信器２８へそれぞれ供給される。

所要の伝送品質特性を満足するため、光増幅器１６の出力に相当する伝送路入力パワー、及び受信器２８の入力パワーはある規定の範囲内に収めることが望まれる。そのため、一般的に光パワーレベル調整用として光送信部１０、あるいは光受信部２２にＶＯＡ（Variable Optical Attenuator）を搭載し、最適な光パワーレベルになるよう調整し、光パワー一定制御を行う場合がある。

このような光伝送システムにおいて、光パワー変動の遷移時間が数msec〜数十msec以上の場合であれば、ＶＯＡによる制御や高速ＡＬＣ（Auto Level Control）制御機能を備えた光増幅器にて、光パワーを適切な値に維持することが可能である。しかしながら経路切替え時による光瞬断や何らかの原因や異常により、光パワーの急激な変動が想定される。

例えば図１の光伝送システムにおいて、図２の参照番号３０で示すように、経路切替え時の光瞬断や何らかの異常により、光パワーの急激な変動が発生すると、光増幅器で瞬間的な光サージが発生する。端局装置１０の光増幅器１６や中継装置内の光増幅器２０で瞬間的な光サージが発生すると、参照番号３２で示すように、下流へ過大な光パワーを送出することになる。特に光増幅器を多段接続するような構成をとった場合、次段の光増幅器へと光サージによる影響が累積していくため、参照番号３４で示すように、下流の受信器２８に過大なパワーが入力してしまう。この結果、受信器２８における光部品、受光素子への入力パワーを制限することができず、受信器２８においてエラーが発生し、最悪の場合は部品または素子を破壊してしまう恐れがある。

光サージが発生した場合において、光送信部１０、あるいは光受信部２２におけるＶＯＡ制御による光パワー一定制御では、ＶＯＡを制御するコントローラやＶＯＡの応答時間を含めて、数msec〜数十msecの時定数を持つため、遷移時間がμsecオーダの光サージには制御が追従できず、この結果、光受信部２２における受光素子への入力パワーを制限することができず、受信器２８においてエラーが発生したり、最悪の場合は部品または素子を破壊してしまう恐れがある。

光サージが発生した場合において、高速ＡＬＣ（Auto Level Control）制御機能を備えた光増幅器を用いた場合でも、同様に光増幅器の励起光制御にmsecオーダーの時間がかかり追従できない。

また、光増幅器の出力パワー設定値を誤ってハイパワーに設定してしまった場合も同様に、瞬間的に受信部における受信レベルが大きくなり、光部品、光受信器、測定器等が損傷する恐れがある。

特開平９−２４７０９３号公報特開平１０−２１５０１６号公報

本発明の目的は、光増幅器等で発生する光サージのような瞬間的な過大パワーを低減させ下流側での受信エラーの発生または受光素子の破損を防止することにある。

本発明によれば、第１の波長の信号光が導入される時、第２の波長の信号光を増幅する作用を有する光伝送媒体であって、第１の波長の信号光が主信号として導入される光伝送媒体と、該主信号に第２の波長のダミー光を合波することによってダミー光を光伝送媒体に導入し、それによって主信号に発生する光サージをダミー光に利得をもたらすことで低減させる合波器とを具備する光伝送装置が提供される。

例えば、前記光伝送媒体は光ファイバを含み、前記増幅作用は光ファイバの誘導ラマン散乱による増幅作用である。

本発明の光伝送装置は、例えば、ＳＲＳ（Stimulated Raman Scattering：誘導ラマン散乱）を利用して光サージを低減する。

ＳＲＳは光ファイバ中における非線形現象の一つであり、励起光のパワーは減少し、励起光波長から約１００nm〜１２０nm程度、長波長側にシフトした波長帯域が最適増幅波長帯となり利得をもたらす。図３にラマン散乱スペクトラムを示す。

図４にはＳＲＳを光増幅に利用したラマン増幅システムの一例を示す。光伝送路の途中に設けられた合波器４０，４２において主信号に励起光が合波されて光ファイバ１８へ導入される。図５に示すように、励起光のパワーは減少するが、同時に長波長側に波長シフトした散乱光が生じ、利得がもたらされる。

本発明では、ＳＲＳを利用して光サージを低減するため、主信号帯（例えば１５５０nm帯）から約１００nm〜１２０nm程度（周波数で約１３THz相当）、長波長側に離れた波長（例えば１６５０nm〜１６８０nm帯）で発光するダミー光源を用いる。さらにＳＲＳを発生させる媒体として、有効断面積（Ａｅｆｆ）が５０μｍ²以下、好ましくは１０μｍ²程度の非線形効果の発生効率が高い高非線形性ファイバ（ＨＮＬＦ：Highly Non Linear Fiber）を用いる。Ａｅｆｆを小さくして光パワーを集中させ、非線形効果の発生効率を高めた光ファイバを用いることにより、ファイバ長が短くて済むので装置の規模が小さくなり、光パワーの損失も小さくなる。

光ファイバ中で発生するＳＲＳを利用することで、光サージが発生した場合の主信号帯での瞬間的な過大パワーを長波長側の光源に利得をもたらすことで低減させる。

本発明では、主信号帯がラマン増幅器での励起光に相当し、ダミー光がラマン増幅器での信号光に相当する。

ＳＲＳ利得は以下の式で表される。

上式より、ラマン増幅器では、励起光パワーＰがmW単位で２倍になると、ラマン利得はdB単位で２倍になる。

上記より、主信号と長波長側のダミー光源を合波し、光ファイバ中に入力することによって、発生した光サージとダミー光との間でＳＲＳ効果が発生し、光サージをダミー光に利得をもたらすことによって低減させることができる。したがって、光受信器側に定格を超える過大なパワーを入力させないようにすることができる。

ＳＲＳは非線形現象であり、ＳＲＳ効果が現れるまでの遷移時間はほとんどゼロである。よって、この物理現象を利用することで、主信号における瞬間的な光サージが発生しても、時定数を持たずに低減させることができる。

図６は本発明の一実施例に係る光伝送装置４４を図１のシステムの送信側の端局装置１０内に設けた例を示す。送信器１２から出力され合波器１４で合波され光増幅器１６で光増幅された主信号は光ファイバ伝送路１８へ送出される前に高非線形性ファイバ４６へ導入される。ダミー光源５０からのダミー光もまた合波器４８で主信号に合波されて高非線形性ファイバ４６へ導入される。

送信側の端局装置１０内に光伝送装置４４を設けることにより、瞬間的な光サージが発生しても規定以上の光パワーを光伝送路１８へ送出しないようにすることができる。

図７および図８はそれぞれ中継装置および受信側の端局装置に光伝送装置４４を設けた例を示す。高非線形性ファイバ４６、合波器４８、およびダミー光源５０からなる光伝送装置４４を設けることで、それよりも下流に規定以上の光パワーを送出しないようにすることができる。

ＳＲＳは、励起光から約１００nm〜１２０nm程度、長波長側にシフトした波長帯域が最適増幅帯域になるので、主信号の波長帯域から約１００nm〜１２０nm（約１３THz）程度、長波長側に離れた波長帯域で発光する光源からの光をダミー光として用いる。例えば、主信号の波長帯域をＣ−バンドの１５５０nm帯とすると、合波するダミー光源は、１６５０nm〜１６８０nm程度で発光するＵ−バンド光源を用いる。ダミー光源には、好ましくは、ラマン利得帯域を広げ、できるだけ光サージを低減させるためにファブリーペローレーザーなどスペクトル線幅の広い光源を用いる。

ＳＲＳを発生させるための媒体として使用するファイバは、光サージが発生しない通常運用時にはただのロス媒体となる。よって挿入損失の観点からできるだけ低損失が望まれるため、Ａｅｆｆが５０μｍ²以下の光ファイバを用いてファイバ長を短くすることが好ましい。また、ファイバ長を短くすることによって、小型のファイバモジュール化も可能になる。

光受信部の受光素子を保護する目的であれば、光伝送装置４４は受信部２２のみに設けられる。

光送信部、光中継部の出力モニタ部を保護する目的であれば、光伝送装置４４を各装置に適用する必要がある。

光サージの発生要因があらかじめ想定されうるシステム構成の場合、例えば切替え用の光スイッチを設ける構成をとるような場合は下流へのサージ送出を防止するため、その装置に光伝送装置４４を設ける。

光送信部、または光中継部に設ける構成においては、下流へ過大な光パワーを送信させないという観点から、ＳＲＳを利用して規定の伝送路入力パワーを超えないようにすることができるように、ダミー光源パワーの最適化とＡｅｆｆ、ロス係数、ファイバ長などのパラメータを調整した高非線形ファイバを用いる。

光受信部に設ける構成においては、受信器へ過大な光パワーを入力させないという観点から、光受信器入力レベル規定値を考慮（受信器が壊れる定格光パワーから逆算）して、ＳＲＳ効果を顕著に発生させることができるようなダミー光源パワーの最適化とＡｅｆｆ、ロス係数、ファイバ長などのファイバパラメータを調整した高非線形ファイバを用いる。

光送信部、光中継部、光受信部では設計上、それぞれ光増幅器出力が異なる可能性があるが、その場合はそれぞれにおいてダミー光源パワーの最適化と最適なパラメータに調整されたファイバを用いる。

ＳＲＳを発生させるための媒体として使用する高非線形性ファイバは、非線形現象を応用したシステムでは、キーデバイスの一つであり、応用する非線形現象の用途に適したファイバパラメータを設計でき、それぞれの用途に適した特性を作り出すことが可能である。また、高非線形ファイバには、設計通りの特性（非線形性）を有するように、コア径（有効断面積：Ａｅｆｆ）を調整して作製されたＰＣＦ（フォトニック結晶ファイバ）を使用することも可能である。

さらに高非線形ファイバの用途として一般的な、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）を使用することも可能である。Ａｅｆｆは、一般的なＨＮＬＦでは１０μｍ²程度、ＰＣＦでは１０μｍ²程度、ＤＣＦでは１５〜３０μｍ²程度である。

図９および図１０−１〜図１０−５に、Ａｅｆｆが１０μｍ²、ロス係数０．５dB／km、長さ３kmの高非線形性ファイバにおけるＳＲＳ利得のシミュレーション結果を示す。主信号はＣ−バンドの８８波であり、図９は主信号の１チャネルあたりのパワーが通常の＋３．０dBmであるとき、図１０−１〜図１０−５は光サージの発生を想定してパワーを＋１０．０dBmとしたときの主信号およびダミー光の利得を示す。ファイバへ導入されるダミー光のパワーはいずれも＋２０．０dBmであり、スペクトル幅は３．６nmである。それぞれの場合のダミー光の波長、主信号の平均利得、最小利得、最大利得、偏差は以下の表に示すような結果になる。

図９のシミュレーション結果と図１０−１〜図１０−４のシミュレーション結果を比較すれば、通常の入力パワー＋３．０dBm（図９）のときの平均利得−１．５dBに対して、＋１０．０dBmの光サージ入力（図１０−１〜図１０−４）では−４．０〜−９．４dBとなって充分な減衰量が得られることがわかる。また、ダミー光の波長が変わればＳＲＳ利得も変わるので、想定されるサージ光のパワーと通常入力パワーまたは受信器の定格パワーとの差から必要な減衰量を決定し、それに応じてダミー光の波長を適宜選択すれば良い。

ＳＲＳ利得は使用する高非線形ファイバのパラメータ調整や、使用するダミー光の出力パワーを可変させることで、調整することが可能である。よって、光増幅器出力が異なる各システムごとにダミー光の出力パワーを可変させることで、より柔軟に光サージに対応させることができる。

サージを低減させるダミー光の波長として、波長１６５０nm〜１６８０nm前後の範囲にて、それぞれ異なる波長で発光する複数の光源を使用することで、光サージを低減させるべくＳＲＳ利得のチャネル特性を一律ある一定値以下にすることや、チャネル間偏差を低減することも可能である。図１１に構成例、図１２−１〜１２−３にシミュレーション結果を示す。

図１２−１のシミュレーション結果では、Ｃ−ｂａｎｄ帯主信号の全チャネル一律ＳＲＳＧａｉｎ≦−６．０dBとなっている。図１２−２の結果では、一律ＳＲＳＧａｉｎ≦−６．０dBかつ、チャネル間偏差が１．２dBｐ−ｐになっており、サージが発生した場合においても、各チャネルの受信器に対するチャネル間レベル偏差を抑圧したい場合には有効である。また、それぞれ異なる波長で発光するダミー光のパワーが異なる図１２-３の結果では、ＳＲＳ利得のチャネル間偏差が１．５dBｐ−ｐになっており、それぞれ異なる波長で発光するダミー光のパワー比率を可変させることでも、ＳＲＳ利得のチャネル間偏差を低減させることが可能である。
各例におけるダミー光の波長とパワーは以下の通りである。
図１２−１：λ１＝１６７０〜１６７３．６nm（スペクトル幅約４nm程度）、Ｐｏｗｅｒ＝＋２０．０dBm（１００mW）
λ２＝１６８０〜１６８３．６nm（スペクトル幅約４nm程度）、Ｐｏｗｅｒ＝＋２０．０dBm（１００mW）
図１２−２：λ１＝１６７０〜１６７３．６nm（スペクトル幅約４nm程度）、Ｐｏｗｅｒ＝＋２０．０dBm（１００mW）
λ２＝１６９０〜１６９３．６nm（スペクトル幅約４nm程度）、Ｐｏｗｅｒ＝＋２０．０dBm（１００mW）
図１２−３：λ１＝１６７０〜１６７３．６、Ｐｏｗｅｒ＝＋１７．０dBm
λ２＝１６８０〜１６８３．６、Ｐｏｗｅｒ＝＋２０．０dBm

ＳＲＳを発生させるための媒体として使用するファイバ長を長くすると（例えば１０kmだと）、サージが発生しない通常運用時での挿入損失が大きくなるだけでなく、ダミー光との間のＳＲＳ効果による通常時におけるレベル減少分が大きくなる。

図１３にファイバ長１０km時のシミュレーション結果を示す。ＳＲＳ利得平均値＝−４．３dBとなり、光サージが発生しない通常運用時でも、４．３dB程度はダミー光との間のＳＲＳ効果によって減少する。ファイバ長３km時に比べ、非線形効果を有する有効ファイバ長が長くなるので、通常運用時でも、ＳＲＳによるレベル減少分が大きくなる。

よって、高非線形ファイバ長は１０kmより短い方が適しており、３km〜５km程度が実用的である。

ＳＲＳを発生させるための媒体として使用するファイバのＡｅｆｆが小さいほどＳＲＳの発生効率が高いが、極端にＡｅｆｆが小さい高非線形ファイバを用いると、通常伝送路（例えばＳＭＦ：Ａｅｆｆ８０μｍ²程度）との接続損失が大きくなることが懸念される。しかし、Ａｅｆｆが１５μｍ²以下、例えば、１０μｍ²程度の高非線形ファイバであれば、ＳＭＦとの融着接続損失が０．１dB以下の高非線形ファイバも開発されており、通常のファイバに比べても遜色ない値である。よって、図１４に示すようにファイバモジュール化することによって接続損失を低くすることが可能である。図１４に示すファイバモジュール５０は、高非線形性ファイバ５２の両端に２本のＳＭＦファイバコード５４がスプライス（融着接続）５６で接続されたものであり、コネクタ５８を介して脱着容易に接続することが可能である。

ＳＲＳを発生させるための媒体に非線形性の高いファイバを用いることで、通常運用時において、一般的に非線形現象が発生する光パワー閾値が最も低い四光波混合（ＦＷＭ）の影響が懸念される。しかし、四光波混合（ＦＷＭ）は、主信号波長とゼロ分散波長が近いほどその影響を受けるが、高非線形ファイバは、ゼロ分散波長もコントロールして設計できるため、通常運用時における四光波混合（ＦＷＭ）による影響は回避できる。

ＳＲＳを発生させるための媒体として、Ａｅｆｆが１０μｍ²程度と小さい高非線形ファイバを用いると、ＳＲＳ効果が顕著に現れる前に、ＳＢＳ（Stimulated Brillouin Scattering：誘導ブリルアン散乱）が発生する可能性がある。

ＳＢＳが発生する入力パワーの閾値Ｐｔｈは以下の式で表される。

上式からわかるように、ＳＲＳを効率良く発生させるためにＡｅｆｆを小さくするとＳＢＳの発生閾値も下がって光パワーがそれを超えるとＳＢＳが発生し、ファイバを通過する光パワーのレベルが低下する。

しかし、本発明における光サージを低減させる度合いは、利得を得るほうのダミー光（例えば１６５０nm〜１６８０nm付近）の光パワーによっても依存するので、Ａｅｆｆを１５μｍ²以上、例えばＤＣＦ相当の３０μｍ²程度として、ダミー光のパワーを上げることで、ＳＢＳの影響を受けずに光サージを低減する効果が得られる。
図１５−１〜図１５−３にＡｅｆｆがＤＣＦ相当（３０μｍ²程度）の場合についてシミュレーションした結果を示す。ダミー光の波長と光パワーは以下である。
図１６−１：λ１＝１６６０〜１６６３．６nm（スペクトル幅約４nm程度）、Ｐｏｗｅｒ＝＋２４．７７dBm（３００mW）
図１６−２：λ１＝１６７０〜１６７３．６nm（スペクトル幅約４nm程度）、Ｐｏｗｅｒ＝＋２３．０dBm（２００mW）
λ２＝１６８０〜１６８３．６nm（スペクトル幅約４nm程度）、Ｐｏｗｅｒ＝＋２３．０dBm（２００mW）
図１６−２：λ１＝１６７０〜１６７３．６nm（スペクトル幅約４nm程度）、Ｐｏｗｅｒ＝＋２４．７７dBm（３００mW）
λ２＝１６８０〜１６８３．６nm（スペクトル幅約４nm程度）、Ｐｏｗｅｒ＝＋２４．７７dBm（３００mW）

一方、ＡｅｆｆがＤＣＦ相当の場合、ファイバ長３kmでＳＢＳが発生する光パワー閾値は約＋１４．０dBm／chである。（α＝０．５（dB／km）、ΔＶＬ＝５０MHz、ΔＶＢ＝１６MHz、ｇ_SBS＝４．１×１０^-11（mW）で計算）

以上の結果により、ＳＲＳを発生させるための媒体として、ＡｅｆｆがＤＣＦ相当のファイバを用いたとして光サージ発生時の光パワー＝＋１０．０dBm／chの場合においても、ＳＲＳ効果により主信号側の光サージを低減することができる。よって、光サージが発生して光パワーがＳＢＳ発生閾値に至る前に、ＳＲＳ効果により光サージが低減されるのでＳＢＳの影響は回避できる。

（付記１）第１の波長の信号光が入力される光伝送媒体と、
該信号光に第２の波長のダミー光を合波する合波器とを備え、
該第２の波長は、該光伝送媒体に該第１の波長の光が入力されたとき、該第２の波長の光が増幅される波長であることを特徴とする光伝送装置。

（付記２）
該ダミー光の強度は、該第１の波長の光サージを抑圧する強度であることを特徴とする付記１記載の光伝送装置。
（付記３）前記光伝送媒体は光ファイバを含み、前記増幅作用は光ファイバの誘導ラマン散乱による増幅作用であり、前記光ファイバの有効断面積は５０μｍ²以下である付記２記載の光伝送装置。

（付記４）前記光ファイバは、フォトニック結晶ファイバである付記３記載の光伝送装置。

（付記５）前記光ファイバは分散補償ファイバである付記３記載の光伝送装置。

（付記６）前記ダミー光は、運用される信号光帯域から約１００〜１２０ｎｍ程度長波長側に離れた波長を有する付記２記載の光伝送装置。

（付記７）前記ダミー光は波長の異なる複数の光源からの光である付記２〜５のいずれかに記載の光伝送装置。

（付記８）前記光ファイバの有効断面積は１５μｍ²以上である付記３記載の光伝送装置。

光増幅器を用いた光伝送システムの一例を示す図である。光サージの発生およびその影響を説明する図である。ラマン散乱スペクトルを示すグラフである。ＳＲＳを光増幅に利用したラマン増幅システムを示す図である。ＳＲＳ効果を説明する図である。本発明の光伝送装置を送信側の端局装置に設けた例を示す図である。本発明の光伝送装置を中継装置に設けた例を示す図である。本発明の光伝送装置を受信側の端局装置に設けた例を示す図である。通常入力の際のＳＲＳ利得のシミュレーション結果を示す図である。光サージ発生時のＳＲＳ利得のシミュレーション結果を示す図である。光サージ発生時のＳＲＳ利得のシミュレーション結果を示す図である。光サージ発生時のＳＲＳ利得のシミュレーション結果を示す図である。光サージ発生時のＳＲＳ利得のシミュレーション結果を示す図である。波長の異なるダミー光源を２つ用いる構成を示す図である。図１１の構成におけるシミュレーション結果を示す図である。図１１の構成におけるシミュレーション結果を示す図である。図１１の構成におけるシミュレーション結果を示す図である。ファイバ長を長くした場合のシミュレーション結果を示す図である。本発明の一実施形態に係るファイバモジュールの構成を示す図である。Ａｅｆｆを３０μｍ²とし、ダミー光のパワーを上げたときのシミュレーション結果を示す図である。Ａｅｆｆを３０μｍ²とし、ダミー光のパワーを上げたときのシミュレーション結果を示す図である。Ａｅｆｆを３０μｍ²とし、ダミー光のパワーを上げたときのシミュレーション結果を示す図である。

Claims

第１の波長の信号光が入力される光伝送媒体と、
該信号光に第２の波長のダミー光を合波する合波器とを備え、
該第２の波長は、該光伝送媒体に該第１の波長の光が入力されたとき、該第２の波長の光が増幅される波長であることを特徴とする光伝送装置。
該ダミー光の強度は、該第１の波長の光サージを抑圧する強度であることを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
前記光伝送媒体は光ファイバを含み、前記増幅作用は光ファイバの誘導ラマン散乱による増幅作用であり、前記光ファイバの有効断面積は５０μｍ²以下である請求項２記載の光サージ吸収装置。
前記ダミー光は波長の異なる複数の光源からの光である請求項２または３記載の光サージ吸収装置。