JP2008219253A - 光伝送装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のサブキャリアを含む電気信号を、アナログ光変調により伝送する場合において、従来技術より帯域を有効利用でき、相互混合ノイズの復調への影響を抑えることができる光伝送装置を提供する。
【解決手段】光伝送装置は、各チャネルの光キャリアを生成する手段と、各チャネルに入力される複数のサブキャリアを含む電気信号を周波数変換する手段と、各チャネルの光キャリアを、対応するチャネルの周波数変換後の前記電気信号により変調し、各チャネルについて、複数のサブキャリアに対応する側波帯を含む光信号を生成する手段と、各チャネルの光キャリアと側波帯とを合波する手段とを備えており、合波する手段が出力する波長多重光信号は、同じチャネルの光キャリアと側波帯の間に、他チャネルの光キャリア又は他チャネルの側波帯を含む周波数配置を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のサブキャリアを含む電気信号を、アナログ光変調により伝送する光伝送装置及び方法に関する。

光信号を、無線周波数帯の電気信号の振幅に応じて、例えば、強度変調して伝送するシステムが提案されている（例えば、非特許文献１、参照。）。

非特許文献１は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術を用いたものであり、光伝送装置は、まず、高速フーリエ逆変換処理及びデジタルアナログ変換処理により実数部及び虚数部のベースバンド信号を生成し、実数部及び虚数部のベースバンド信号、それぞれを、互いに直交する同一周波数の正弦波信号により周波数変換して加算することで、レーザダイオードからの連続光を変調するための、変調電気信号を生成している。

変調電気信号により強度変調された光信号は、レーザダイオードの発光周波数である光キャリア信号を対称軸とし、情報を搬送する側波帯が高周波側と低周波側に配置された光スペクトラムを有するが、非特許文献１に記載の光伝送装置は、一方の側波帯をフィルタで除去、つまり、片側側波帯（ＳＳＢ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ Ｂａｎｄ）方式にて光信号を送信している。

また、上記光信号を受信した光伝送装置は、まず、フォトダイオードにより、受信光信号を、変調電気信号に変換し、変調電気信号と同相及び直交する正弦波を、それぞれ、変調電気信号に乗じて、実数部及び虚数部のベースバンド信号に変換し、デジタルアナログ変換処理及び高速フーリエ変換処理により、実数部及び虚数部のベースバンド信号を、周波数領域の複素信号に変換している。

Ｊａｍｅｓ Ｌｏｗｅｒｙ ｅｔ ａｌ、"Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇ−ｈａｕｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ"、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．６、ｐｐ．２０７９−２０８４、２００６年３月

図７は、非特許文献１に記載の光伝送装置が送信する光信号の概略的な光スペクトラムを示す図である。なお、ベースバンド信号を周波数変換するための正弦波信号の周波数をｆ_ＴＸ、変調電気信号に含まれる一番低いサブキャリアと、一番高いサブキャリアの周波数差、つまり、変調電気信号の帯域をｆ_ＳＩＧとする。図７によると、複数のサブキャリアを含む上側側波帯３０の中心周波数は、光キャリア２０から、周波数変換に使用した正弦波信号の周波数ｆ_ＴＸだけ離れている。ここで、光キャリア２０の周波数は、外部光変調器に入力されるレーザダイオードの発光周波数に等しい。

非特許文献１にも記載されている様に、ＯＦＤＭといった、複数のサブキャリを含む側波帯３０を有する光信号を、フォトダイードにより変調電気信号に変換した場合、相互変調（Ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）とも呼ばれる、各サブキャリア間の相互混合（Ｉｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇ）により相互混合ノイズが発生する。図８は、フォトダイードに対して、図７に示す光信号を入力した場合に出力される電気信号の概略的な周波数スペクトルを示す図である。図８によると、変調電気信号５０の中心周波数は、光キャリア２０と側波帯３０の中心との周波数差に等しくｆ_ＴＸであり、相互混合ノイズ４０が、直流からほぼ周波数ｆ_ＳＩＧまで発生している。なお、この相互混合ノイズ４０の外挿ノイズ（Ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ）が、周波数ｆ_ＳＩＧより高い周波数領域にまで漏れ込むため、周波数ｆ_ＳＩＧより高い領域に存在する信号も、実際には影響を受けることになる。

非特許文献１によると、相互混合ノイズ４０は、キャリア対信号比（ＣＳＲ：Ｃａｒｒｉｅｒ ｔｏ Ｓｉｇｎａｌ Ｒａｔｉｏ）が小さくなる程大きくなる。つまり、光伝送に使用できる光パワーの多くを光キャリア２０に割り振ることで、相互混合ノイズ４０を小さくできるが、これは、側波帯３０、つまり、伝送する情報を有している信号に割り振れる光パワーが小さくなることを意味し、信号対雑音比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が劣化してしまう。このため、非特許文献１においては、光キャリア２０と側波帯３０には同一光パワーを配分し、相互混合ノイズ４０を避けるため、ｆ_ＴＸをｆ_ＳＩＧの１．５倍とし、光キャリア２０と側波帯３０との間に、周波数幅ｆ_ＳＩＧのガード帯域を確保することとしている。

ガード帯域は、情報の伝送に使用しない帯域であり、このため、従来技術による方法では、帯域の有効利用を図ることができないという問題がある。特に、図９に示す様に、光ＳＳＢ信号を更に波長多重する場合、チャネルごとに情報を伝送しないガード帯域を確保する必要があり、この問題が顕著になる。更に、外挿ノイズの影響により低いサブキャリアの品質が劣化するという問題もある。

したがって、本発明は、複数のサブキャリアを含む電気信号を、アナログ光変調により伝送する場合において、従来技術より帯域を有効利用でき、相互混合ノイズの復調への影響を抑えることができる光伝送装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明における光伝送装置によれば、
各チャネルの光キャリアを生成する手段と、各チャネルに入力される複数のサブキャリアを含む電気信号を周波数変換する手段と、各チャネルの光キャリアを、対応するチャネルの周波数変換後の前記電気信号により変調し、各チャネルについて、複数のサブキャリアに対応する側波帯を含む光信号を生成する手段と、各チャネルの光キャリアと側波帯とを合波する手段とを備えており、合波する手段が出力する波長多重光信号は、同じチャネルの光キャリアと側波帯の間に、他チャネルの光キャリア又は他チャネルの側波帯を含む周波数配置を有することを特徴とする。

本発明の光伝送装置における他の実施形態によれば、
周波数変換する手段は、１以上の整数ｎに対して、前記電気信号に含まれるサブキャリアの最も低い周波数がチャネル間隔のｎ倍より高く、かつ、最も高い周波数がチャネル間隔のｎ＋１倍より低い信号に周波数変換することも好ましい。更に、ｎ＝１であることも好ましい。

本発明における光伝送方法によれば、
各チャネルの光キャリアを生成するステップと、各チャネルの光キャリアを、複数のサブキャリアを含む電気信号により変調し、各チャネルについて、複数のサブキャリアに対応する側波帯を含む光信号を生成するステップと、各チャネルの光キャリアと側波帯を合波して、波長多重光信号を送信するステップとを備えており、波長多重光信号は、同じチャネルの光キャリアと側波帯の間に、他チャネルの光キャリア又は他チャネルの側波帯を含む周波数配置を有することを特徴とする。

波長多重光信号の周波数配置は、同じチャネルの光キャリアと側波帯の間に、他チャネルの光キャリア又は他チャネルの側波帯を有するものである。つまり、同じチャネルの光キャリアと側波帯の間には、少なくとも、チャネル間隔より大きい空帯域があり、よって、各チャネルの片側側波帯光信号を電気信号に変換した場合、得られる電気信号は、相互混合ノイズの帯域外となり、各チャネルについて、チャネル間隔の半分未満しか使用できなかった従来技術と比較して、周波数利用効率が向上する。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明による光伝送装置の送信側のブロック図である。図１によると、光伝送装置は、複数の光信号生成部１−１から１−ｎと、複数の光分岐部２−１から２−ｎと、複数の光変調部３−１から３−ｎと、光合波部４及び５と、光結合部６とを備えている。なお、各光信号生成部を区別する必要がない場合には、光信号生成部１として参照し、各光変調部を区別する必要がない場合には、光変調部３として参照する。

光信号生成部１は、例えば、分布帰還型レーザダイオードであり、各チャネルに対応して設けられ、連続光を出力する。ここで、各光信号生成部１が生成する光信号は、隣接チャネルの光信号生成部１が生成する光信号と、チャネル間隔に対応する周波数ｆ_ＣＨだけ異なっている。光信号生成部１が生成する光信号は、対応する光分岐部２−１〜２−ｎにおいて分岐され、分岐された光信号は、それぞれ、光合波部５と、対応する光変調部３に入力される。

光変調部３は、例えば、マッハツェンダ変調器といった連続光を変調する外部光変調器であり、入力される各チャネルの変調電気信号５０で連続光を変調し、光キャリアと、上側側波帯及び下側側波帯を含む光信号を出力する。なお、複数のサブキャリアを含む変調電気信号５０の例としては、ＯＦＤＭ信号や、副搬送波多重（ＳＣＭ：Ｓｕｂ−Ｃａｒｒｉｅｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式で光信号により伝送される信号があるが、これらに限定されるものではない。

図３は、本発明による光伝送装置において、変調電気信号５０を生成する回路のブロック図である。変調部１０は、複数のサブキャリアを含むベースバンド信号を周波数変換部１１に入力し、周波数変換部１１は、ベースバンド信号を無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の電気信号に周波数変換し、複数のサブキャリアを含む変調電気信号５０を、対応する光変調部３に出力する。なお、以下の説明において、変調電気信号５０の帯域をｆ_ＳＩＧ、その中心周波数をｆ_ＴＸとする。なお、周波数変換部１１に入力する信号は、ベースバンド信号である必要はなく、周波数変換部１１は、帯域がｆ_ＳＩＧである任意の電気信号を、その中心周波数がｆ_ＴＸとなる様に周波数変換するものであれば良い。

光合波部４は、例えば、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）であり、各光変調部３が出力する光信号の光キャリア及び一方の側波帯、本実施形態においては、下側側波帯を抑圧し、上側側波帯のみを合波して出力する。また、光合波部５は、各光信号生成部１が生成し、光分岐部２で分岐された光信号を合波して出力する。更に、光結合部６は、光合波部４及び光合波部５が出力する光信号を結合して光伝送路に出力する。なお、以下では、上側側波帯を利用する実施形態で説明を行うが、下側側波帯を利用することも当然可能である。

図４は、本発明を説明するための概略的な光スペクトラムを示す図である。図４の（ａ）は、チャネル１に対応する光変調部３−１が出力する光信号の光キャリア２１と上側側波帯３１を、（ｂ）は、チャネル２に対応する光変調部３−２が出力する光信号の光キャリア２２と上側側波帯３２を示している。なお、簡単のため下側側波帯は省略している。

図４の（ａ）及び（ｂ）に示す様に、上側側波帯３１の中心と光キャリア２１との周波数差、及び、上側側波帯３２の中心と光キャリア２２との周波数差は、変調電気信号５０の中心周波数ｆ_ＴＸに等しい。本実施形態においては、以下の式を満たす周波数ｆ_ＴＸを使用する。
ｆ_ＣＨ＋ｆ_ＳＩＧ／２＋ｆ_ｇ＜ｆ_ＴＸ＜２ｆ_ＣＨ−ｆ_ＳＩＧ／２−ｆ_ｇ （１）
なお、ｆ_ｇは、側波帯と光キャリアとの間に最低限必要なガード帯域であり、当然、
ｆ_ＣＨ＞ｆ_ＳＩＧ＋２ｆ_ｇである。

ここで、変調電気信号５０のサブキャリアの最も低い周波数をｆ_ＴＸＬ、最も高い周波数をｆ_ＴＸＨとすると、
ｆ_ＴＸＬ＝ｆ_ＴＸ−ｆ_ＳＩＧ／２
ｆ_ＴＸＨ＝ｆ_ＴＸ＋ｆ_ＳＩＧ／２
であるため、式（１）は、
ｆ_ＴＸＬ＞ｆ_ＣＨ＋ｆ_ｇ （３）
ｆ_ＴＸＨ＜２ｆ_ＣＨ−ｆ_ｇ （４）
となる。

したがって、各チャネルの周波数変換部１１が、チャネル間隔未満の帯域のベースバンド信号を、式（３）及び（４）を満たす様に周波数変換することで、光結合部６が出力する光信号は、図４（ｃ）に示す様に配置される。より詳しくは、チャネル数ｎのシステムの場合、１からｎの整数ｋに対し、チャネルｋの側波帯は、チャネルｋ＋１の光キャリアとチャネルｋ＋２の光キャリアの間に配置される。ただし、ｋ＝ｎ−１、ｎについて、チャネルｎ＋１及びｎ＋２は存在しないため、チャネルｎの側波帯の両側に、光キャリアは無い。

以上、本発明による光伝送装置は、チャネル１とチャネル２の光キャリア間が空きとなるものの、その他のチャネルの光キャリア間には、側波帯の帯域と同じガード帯域を確保する必要はなく、各チャネルにおいて、チャネル間隔ｆ_ＣＨの半分未満の帯域しか情報伝送に利用できなかった従来技術と比較して周波数利用効率を高めることができる。

続いて、上記光信号の受信処理について説明する。図２は、本発明による光伝送装置の受信側のブロック図である。図２によると、光伝送装置は、光分岐部２と、光分波部７及び８と、チャネルごとの光結合部６−１から６−ｎと、チャネルごとの光電気変換部９−１から９−ｎを備えている。なお、以下の説明において、光電気変換部を区別する必要がない場合には、光電気変換部９として参照する。

光伝送路からの波長多重されたＳＳＢ光信号は、光分岐部２で分岐され、光分波部７及び８に出力される。光分波部７は、例えば、ＡＷＧであり、光信号に含まれる各チャネルの光キャリアを抑圧して各チャネルの側波帯を分波し、光分波部８は、例えば、ＡＷＧであり、光信号に含まれる各側波帯を抑圧して各チャネルの光キャリアを分波する。

光結合器６−１〜６−ｎは、各チャネルに対応して設けられ、光分波部７が出力する対応チャネルの側波帯と、光分波部８が出力する対応チャネルの光キャリアを結合し、対応する光電気変換部９に出力する。したがって、チャネル１に対応する光電気変換部９−１は、図４（ａ）に示す光信号を受信し、チャネル２に対応する光電気変換部９−２は、図４（ｂ）に示す光信号を受信することになる。

光電気変換部９は、例えば、フォトダイオードであり、入力光信号を変調電気信号５０に変換する。図５は、光電気変換部９が出力する信号のスペクトラムを示す図である。変調電気信号５０の中心周波数は、ｆ_ＴＸであるが、上述した様に、
ｆ_ＴＸ＞ｆ_ＣＨ＋ｆ_ＳＩＧ／２＋ｆ_ｇ 、かつ、ｆ_ＣＨ＞ｆ_ＳＩＧ＋２ｆ_ｇ
であるため、
ｆ_ＴＸ＞１．５ｆ_ＳＩＧ＋３ｆ_ｇ
となる。
したがって、変調電気信号５０は、光電気変換により発生する相互混合ノイズ４０の帯域外となる。つまり、変調電気信号５０には相互混合ノイズ４０からの妨害はない。更に、従来技術より３ｆ_ｇだけ変調電気信号５０が高周波側にシフトするため、外挿ノイズによる影響も、従来技術と比較して低減される。

以上、変調電気信号５０のサブキャリアの最も低い周波数をチャネル間隔より高く、最も高い周波数をチャネル間隔の２倍より低くすることで、側波帯の帯域と同じガード帯域を各チャネルに対して確保する必要はなく、かつ、相互混合ノイズ４０からの妨害を避けることが可能になる。

上記、実施形態においては、光変調部３は光キャリアと両側側波帯を含む光信号を出力していたが、例えば、光変調部３において光キャリアを抑圧した光信号を生成することも可能である。具体的には、図６に示す様に、変調電気信号５０の振幅の平均値と、光変調部３の送出光信号の位相変化点、つまり、光信号が送出されない点とが対応する様に、光変調部３に対するバイアス電圧を設定する。これにより、光変調部３から出力される光信号の半分は位相０で、残り半分が位相πとなり、光キャリアと側波帯が接近している場合においても、光キャリアを効果的に抑圧した光信号が出力される。この場合、図１における光合波部４は、利用する側波帯とは異なる側波帯のみを抑圧して、合波すればよく、光合波部４に要求される特性が緩くなる。

また、公知のＳＳＢ光変調器を光変調部４に使用し、光合波部４では、光キャリア２０のみを抑圧する構成であっても、公知のＳＳＢ光変調器のバイアス電圧を調整して、光変調部４から直接、光キャリアを抑圧したＳＳＢ光信号を出力しても良い。

また、チャネルｋの側波帯を、チャネルｋ＋１の光キャリアとチャネルｋ＋２の光キャリアの間に配置する形態にて説明を行ったが、チャネルｋの側波帯を、例えば、チャネルｋ＋２の光キャリアとチャネルｋ＋３の光キャリア間に配置する形態等であっても良い。つまり、あるチャネルの光キャリアと、そのチャネルの側波帯の間に、少なくとも１つの他チャネルの光キャリア及び／又は他チャネルの側波帯が配置されている波長多重光信号であれば良い。この場合、変調電気信号５０のサブキャリアの最も低い周波数及び最も高い周波数は、１以上の整数ｎに対して、
ｆ_ＴＸＬ＞ｎｆ_ＣＨ＋ｆ_ｇ
ｆ_ＴＸＨ＜（ｎ＋１）ｆ_ＣＨ−ｆ_ｇ
となる。

本発明による光伝送装置の送信側のブロック図である。 本発明による光伝送装置の受信側のブロック図である。 本発明による光伝送装置の送信側の他のブロック図である。 本発明の光伝送装置の送信側の処理を説明する図である。 光電気変換部が出力する信号のスペクトラムを示す図である。 光変調部における搬送波抑圧光信号生成を説明する図である。 光ＳＳＢ−ＯＦＤＭ信号の概略的なスペクトラム図である。 図７に示す光信号を電気信号に変換した場合の概略的なスペクトラム図である。 従来技術による波長多重ＳＳＢ光信号の概略的なスペクトラム図である。

符号の説明

１、１−１〜１−ｎ 光信号生成部
２、２−１〜２−ｎ 光分岐部
３、３−１〜３−ｎ 光変調部
４、５ 光合波部
６、６−１〜６−ｎ 光結合部
７、８ 光分波部
９、９−１〜９−ｎ 光電気変換部
１０ 変調部
１１ 周波数変換部
２１、２２、２３ 光キャリア
３１、３２、３３ 側波帯
４０ 相互混合ノイズ
５０ 変調電気信号

Claims (4)

1. 各チャネルの光キャリアを生成する手段と、
   各チャネルに入力される複数のサブキャリアを含む電気信号を周波数変換する手段と、
   各チャネルの光キャリアを、対応するチャネルの周波数変換後の前記電気信号により変調し、各チャネルについて、複数のサブキャリアに対応する側波帯を含む光信号を生成する手段と、
   各チャネルの光キャリアと側波帯とを合波する手段と、
   を備えており、
   合波する手段が出力する波長多重光信号は、同じチャネルの光キャリアと側波帯の間に、他チャネルの光キャリア又は他チャネルの側波帯を含む周波数配置を有する、
   光伝送装置。
2. 隣接チャネルの光キャリアの周波数は、所定のチャネル間隔だけ異なり、
   前記電気信号の帯域は、チャネル間隔未満であり、
   周波数変換する手段は、１以上の整数ｎに対して、前記電気信号に含まれるサブキャリアの最も低い周波数がチャネル間隔のｎ倍より高く、かつ、最も高い周波数がチャネル間隔のｎ＋１倍より低い信号に周波数変換する、
   請求項１に記載の光伝送装置。
3. ｎは１である請求項２に記載の光伝送装置。
4. 各チャネルの光キャリアを生成するステップと、
   各チャネルの光キャリアを、複数のサブキャリアを含む電気信号により変調し、各チャネルについて、複数のサブキャリアに対応する側波帯を含む光信号を生成するステップと、
   各チャネルの光キャリアと側波帯を合波して、波長多重光信号を送信するステップと、
   を備えており、
   波長多重光信号は、同じチャネルの光キャリアと側波帯の間に、他チャネルの光キャリア又は他チャネルの側波帯を含む周波数配置を有する、
   光伝送方法。

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