JP2010154103A

JP2010154103A - 光通信システム

Info

Publication number: JP2010154103A
Application number: JP2008328537A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Miyamoto; 敏行宮本
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】多チャンネルのアナログ信号光を一括して長距離伝送する場合の伝送特性を改善することができる光通信システムを提供する。
【解決手段】光通信システム１は、多チャンネルの信号光を送出する外部強度変調型の光送信器１０，光受信器２０および光ファイバ伝送路３０を備える。光送信器１０は、光源１０１、光位相変調部１０２、光強度変調部１０３およびＲＦ信号発生部１０９を備える。トーン信号生成部１０９により生成されるトーン信号のうち最も周波数が低いトーン信号と多チャンネルの信号光との間で生じる２次歪み成分のうち最も振幅強度が大きい成分と、多チャンネルの信号光のうち最も振幅強度が大きい成分との差ΔＥが、光受信器２０による受信の際に１５ｄＢより大きくなるように、トーン信号生成部１０９により生成されるトーン信号の中心周波数および変調指数が設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信システムに関するものである。

光通信システムは、光送信器から送出された信号光を光ファイバ伝送路により伝送し、この光ファイバ伝送路により伝送されて到達した信号光を光受信器により受信することで、大容量の情報を高速に送受信することができる。また、光通信システムは、光送信器と光受信器との間の光ファイバ伝送路の経路上に配置された光増幅器により信号光を光増幅することで、信号光を長距離伝送することができる。さらに、光通信システムは、光送信器から多チャンネルの信号光を送出することで、更に大容量の情報を送受信することができる。

近年では、光増幅器の高性能化および低価格化が進み、これに伴い、多チャンネルのアナログ信号光を一括して伝送する映像配信システムにおいても長距離伝送の需要が大きくなってきている。このような光通信システムにおいて、長距離伝送を実現するには、光ファイバ伝送路の波長分散や自己位相変調の影響に因る信号光の波形歪みを低減することが重要である。ここで、信号光の波形歪みには、複合２次歪み（Composite Second Order beat distortion、以下「ＣＳＯ」という。）や、複合３次歪み（CompositeTriple Beat distortion、以下「ＣＴＢ」という。）が含まれる。これらの信号光の波形歪みを低減する手法については、これまでにも既に検討がなされている（非特許文献１〜３を参照）。
M. C. Wu, et al., IEEE PTL, Vol.11,No.6, 1999 Amnon Yariv, et al., ITTT JLT, Vol.15,No.3. 1997 D. Piehler, et al., Electron.Lett., Vol.33, No.3, 1997

しかしながら、多チャンネルのアナログ信号光を一括して伝送する光通信システムにおいて、多チャンネルの信号光と位相変調の残留強度変調（Intensity Modulation、以下「ＩＭ」という。）との間に生じる歪み成分（２次歪み成分，３次歪み成分および高次歪み成分）が多チャンネル信号光に与える影響については、未だ検討がなされていない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、多チャンネルのアナログ信号光を一括して長距離伝送する場合の伝送特性を改善することができる光通信システムを提供することを目的とする。

本発明に係る光通信システムは、(1) 多チャンネルの光を出力する光源と、光源から出力される多チャンネルの光を位相変調して出力する光位相変調部と、光位相変調部から出力される多チャンネルの光を強度変調して信号光として出力する光強度変調部と、光位相変調部において多チャンネルの光を位相変調するためのトーン信号を生成するトーン信号生成部と、を含む外部強度変調型の光送信器と、(2)光送信器から出力され光ファイバ伝送路を経て到達した多チャンネルの信号光を受信する光受信器と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係る光通信システムは、トーン信号生成部により生成されるトーン信号のうち最も周波数が低いトーン信号と多チャンネルの信号光との間で生じる２次歪み成分のうち最も振幅強度が大きい成分と、多チャンネルの信号光のうち最も振幅強度が大きい成分との差ΔＥが、光受信器による受信の際に１５ｄＢより大きくなるように、トーン信号生成部により生成されるトーン信号の中心周波数および変調指数が設定されていることを特徴とする。

本発明に係る光通信システムでは、トーン信号生成部により生成されるトーン信号のうち最も周波数が低いトーン信号の周波数は、１.５５ＧＨｚ以上であるのが好適であり、１.７０ＧＨｚ以上であるのが更に好適であり、また、２.３ＧＨｚ以上であるのが最も好適である。

本発明に係る光通信システムでは、多チャンネルの信号光の波長において、光ファイバ伝送路の波長分散値が＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上＋２５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、光ファイバ伝送路のレイリー散乱係数が５×１０^−８／ｍ以下であるのが好適である。

本発明に係る光通信システムでは、光ファイバ伝送路は、多チャンネルの信号光の波長において波長分散値が−１４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の分散補償光ファイバを含むのが好適である。

本発明に係る光通信システムは、光送信器から光受信器へ至る光ファイバ伝送路として第１光ファイバ伝送路および第２光ファイバ伝送路を備え、多チャンネルの信号光の波長において第１光ファイバ伝送路および第２光ファイバ伝送路それぞれの累積波長分散の差が８０ｐｓ／ｎｍ以下であるのが好適である。

本発明によれば、多チャンネルのアナログ信号光を一括して長距離伝送する場合の伝送特性を改善することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る光伝送システム１の概略構成図である。この図に示される光通信システム１は、光送信器１０，光受信器２０および光ファイバ伝送路３０を備える。この光通信システム１では、光送信器１０から送出された多チャンネルのアナログ信号光は、光ファイバ伝送路３０により伝送されて光受信器２０に到達し、この光受信器２０により受信される。

図２は、本実施形態に係る光伝送システム１に含まれる光送信器１０の構成図である。この図に示される光送信器１０は、光源１０１、光位相変調部１０２、光強度変調部１０３、プリディストーション部１０４、オフセット部１０５、パイロット信号発生部１０６、光カプラ１０７、受光部１０８およびＲＦ信号発生部１０９を備える。この光送信器１０は、外部強度変調型のものである。

光源１０１は、多チャンネルの連続光を出力するものであり、一般にレーザダイオードを含み、好適には分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ），外部共振型レーザ（ＥＣＬ）またはファブリペロー型レーザ（ＦＰ）を含む。光位相変調部１０２は、光源１０１から出力された多チャンネルの光を位相変調して出力するものであり、好適にはリチウムナイオベート（ＬＮ）導波路を含む。光強度変調部１０３は、光位相変調部１０２から出力された多チャンネルの光を伝送信号で強度変調して信号光として出力するものであり、好適には位相制御型や分布結合型などのＬＮ導波路を含む。この光強度変調部１０３から出力された光は、信号光として光ファイバ伝送路３０へ送出される。

この光強度変調部１０３は、印加電圧と光透過率との間に一定の関係を有するものであり、電圧が印加されることで光透過率が制御されて、これにより光を強度変調することができる。しかし、光強度変調部１０３は、一般に、印加電圧と光透過率との間の関係に歪みを有する。そこで、これを補償するためにプリディストーション部１０４およびオフセット部１０５が設けられている。すなわち、光強度変調部１０３における印加電圧と光透過率との間の関係に含まれる歪みを補償するように、プリディストーション部１０４は伝送信号に歪みを与え、オフセット部１０５は伝送信号にオフセットを与える。

また、オフセット部１０５が伝送信号に与えるオフセットを決定するために、パイロット信号発生部１０６，光カプラ１０７および受光部１０８が設けられている。すなわち、パイロット信号発生部１０６は、モニタ用のパイロット信号を光源１０１に供給して光源１０１を駆動する。光カプラ１０７は、そのパイロット信号により駆動された光源１０１から出力され光位相変調部１０２および光強度変調部１０３を経た光の一部を分岐する。受光部１０８は、その光カプラ１０７により分岐された光を受光して、当該受光量に応じた電気信号を出力する。そして、オフセット部１０５は、光カプラ１０７から出力された電気信号を入力し、その電気信号からパイロット信号を取り出して、フィードバック制御によりオフセットを最適化する。

トーン信号生成部１０９は、トーン信号であるＲＦ信号（ＳＢＳ抑圧信号）を光源１０１または光位相変調部１０２に供給して、光スペクトル線幅を拡大させる。ＳＢＳ抑圧信号は、抑圧したいＳＢＳ閾値に応じて、トーン信号強度を変化させることが可能である。

ところで、光位相変調部１０２が理想的なものであれば、その光位相変調部１０２は光の位相のみを変調することができる。しかし、実際には、光位相変調部１０２から出力された光は残留強度変調（ＲＡＭ）成分を含む。この残留強度変調成分は、光位相変調部の内部および表面での光散乱によるエタロン効果、光位相変調部において使用される圧電素子（例えばＬＮ）の圧電応答、圧電素子内部での変調強度の不均一性、ならびに、圧電素子用結晶の光路長や複屈折性、等により生じる。

このように光位相変調部１０２から出力された光が残留強度変調成分を含む場合には、光位相変調部１０２から出力された光を受光部により光電変換して、この受光部から出力された電気信号をＲＦスペクトラムアナライザで観測すると、その残留強度変調成分の存在を確認することができる。

図３は、多チャンネルのアナログ信号光を長距離伝送した場合に問題となる光ファイバ伝送路における非線形性に因る歪み成分を説明する概念図である。この図に示されるように、低周波側には、周波数軸上に多重配置された多チャンネルのアナログ信号光の周波数が存在する。また、高周波側には、光位相変調部１０２から出力される光に含まれるＲＡＭ成分の周波数が存在する。

光ファイバ伝送路の非線形性（自己位相変調ＳＰＭ、波長分散、誘導ブリルアン散乱ＳＢＳ）の影響により、多チャンネルのアナログ信号光とＲＡＭ成分との間において、ＲＡＭ成分の周波数の周囲に２次歪み成分が生じる。この歪み成分と多チャンネルのアナログ信号光との間で更に高次の歪み成分が生じる。この歪み成分が多チャンネルのアナログ信号光の帯域内部に存在する場合は、多チャンネルのアナログ信号光にとっては雑音または妨害波成分として寄与してしまうので、所望の伝送特性を得ることが困難となる。以下では、多チャンネルのアナログ信号光のうち最も振幅強度の大きい成分のレベルをＥ_ＡＭとし、２次歪み成分のうち最も振幅強度の大きい成分のレベルをＥ_ＩＭ２とし、これらの差をΔＥ（＝Ｅ_ＡＭ−Ｅ_ＩＭ２）として、この差ΔＥについて議論する。

図４は、差ΔＥと伝送特性との関係を評価するための用いた評価システム２の構成図である。この図４に示される評価システム２は、図１に示された光通信システム１と同様に、光送信器１０と光受信器２０との間に光ファイバ伝送路３０が設けられたものである。この評価システム２の光送信器１０は、図２に示されたものと同様の構成を有する外部強度変調型のものである。この評価システム２の光受信器２０は、２.１ＧＨｚまで対応が可能であって、２.３ＧＨｚ程度までの位相変調用のトーン信号を用いた場合に、非線形性により生じる２次歪みを検証することが可能である。光送信器１０から送出される信号光のうち、アナログ信号は９チャンネルであって各チャネルのＲＦ入力が８５ｄＢμＶ／chであり、デジタル信号は４１チャンネルであって各チャネルのＲＦ入力が７５ｄＢμＶ／chである。

この評価システム２の光ファイバ伝送路３０は、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）３０１〜３０８、分散補償光ファイバ（ＤＣＦ）３１１〜３１３、希土類元素添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）３２１〜３２８、および、可変光減衰器３３１〜３３６を含む。ＳＭＦ３０１の長さは５０ｋｍであり、ＳＭＦ３０２の長さは３０ｋｍであり、ＳＭＦ３０３の長さは３０ｋｍであり、ＳＭＦ３０４の長さは２５ｋｍであり、ＳＭＦ３０５の長さは２５ｋｍであり、ＳＭＦ３０６の長さは２５ｋｍであり、ＳＭＦ３０７の長さは２５ｋｍであり、また、ＳＭＦ３０８の長さは２０ｋｍであって、ＳＭＦ３０１〜３０８の合計長さは２３０ｋｍである。ＤＣＦ３１１〜３１３それぞれの波長分散は−１４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、ＤＣＦ３１１の長さは２８ｋｍであり、ＤＣＦ３１２の長さは３３ｋｍであり、また、ＤＣＦ３１３の長さは３８ｋｍである。

２つの経路を用いた光通信システムの冗長化も実現させるために、１６０ｋｍ伝送時および２３０ｋｍ伝送時の２種類において伝送特性を評価した。その際に、損失が小さく且つ波長分散絶対値が大きいＤＣＦ３１１〜３１３を分散補償モジュールとして使用して、１６０ｋｍ伝送時および２３０ｋｍ伝送時の何れの場合にも光ファイバ伝送路の累積分散をＳＭＦ長換算で１３０ｋｍ程度となるように調整した。波長分散による信号成分間の複合２次歪み（ＣＳＯ）の差をなくすために、光ファイバ伝送路の累積分散はＳＭＦ長換算で±５ｋｍ程度（±８０ｐｓ／ｎｍ程度）以下にすることが望ましい。

分散補償光ファイバは、波長分散の絶対値が大きいほうが短尺化が可能であり、ファイバ内部でのレイリー散乱および２重レイリー散乱の発生を抑圧することが可能である。特に、２重レイリー散乱は、伝送信号の搬送波対雑音比（ＣＮＲ）の劣化につながるので注意が必要である。したがって、波長分散の絶対値が大きい分散補償光ファイバを使用することが望ましい。本評価システム２では、−１４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度の分散補償光ファイバを使用しているが、−２５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の波長分散値をもつ分散補償光ファイバを使うことでさらに短尺化することができる。

光評価システム２において光ファイバ伝送路として通常のＳＭＦを用いているが、長距離伝送においては、ＳＭＦのみならず、低損失ファイバである純石英コアファイバ（ＰＳＣＦ）、レイリー散乱や非線形性を抑えることができる実効断面積拡大型ＳＭＦ（ＥＥ-ＳＭＦ）、または、実効断面積拡大型純石英コアファイバ（ＥＥ-ＰＳＣＦ）を用いてもよい。さらには、誘導ブリルアン散乱を抑圧するようなファイバを用いた場合も低周波側でのＳＢＳに起因する波形劣化を抑圧可能であるので望ましい。

図５は、各ファイバの損失、レイリー散乱係数、波長分散値、波長分散スロープ、非線形屈折率、実効断面積を纏めた図表である。ＤＳＦやＮＺ-ＤＳＦは、波長分散値が小さいので、波長分散による歪みの影響を受けにくいものの、その一方で、実効断面積が小さいことや、レイリー散乱係数が大きいことなどから、非線形性によるＣＳＯ劣化や多経路干渉雑音（ＭＰＩ、特に２重レイリー散乱など）によるＣＮＲ劣化などが発生しやすくなるので、長距離伝送時には制限が生じる。ＳＭＦ、ＰＳＣＦ、ＥＥ-ＳＭＦ、ＥＥ-ＰＳＣＦなどは、非線形性やＭＰＩの影響は小さくなるものの、長距離伝送を実現する場合には、注意（管理）が必要である。

図６は、評価システム２の光受信器２０におけるＲＦ信号波形の一例を示す図である。ここでは、光ファイバ伝送路の長さを１６０ｋｍとし、各ＥＤＦＡから出力される信号光のパワーを１５ｄＢｍおよび１４ｄＢｍそれぞれとした。位相変調用のトーン信号を２.３ＧＨｚ程度とした。この図から判るように、ΔＥは１５ｄＢより小さい。トーン信号成分の周りに２次歪み成分が生じている。トーン信号より低周波側の歪み成分と比較して高周波側の歪み成分が小さいのは、光受信器２０の感度が高周波側で低いからである。この図の場合には、７７０ＭＨｚより低周波側にも高次の歪み成分が落ち込んでいる。これが多チャンネルのアナログ信号光における雑音の要因となる。

図７は、評価システム２の光受信器２０におけるＲＦ信号波形の他の例を示す図である。ここでは、光送信器１０における位相変調の周波数および変調指数を調整するとともに、各ＥＤＦＡから出力される信号光のパワーを１３ｄＢｍに調整した。光ファイバ伝送路の長さを１６０ｋｍおよび２３０ｋｍそれぞれとした。この図から判るように、光ファイバ伝送路の長さが１６０ｋｍおよび２３０ｋｍの何れである場合にも、ΔＥは１５ｄＢより大きく、７７０ＭＨｚ以下の周波数領域での高次歪みによる雑音劣化は軽微であり、良好な伝送特性が実現され得る。１６０ｋｍ伝送後の波形と比較して２３０ｋｍ伝搬後の波形は若干雑音が盛り上がっているが、これは光ファイバ伝送路における非線形位相シフトの影響が多いことによるからである。

光ファイバ伝送路の長さが異なる経路を用いて冗長構成を構築した場合、前述の波長分散などによる波形歪みだけではなく、ＣＮＲについてもほぼ同等の特性が得られるように、光ファイバ伝送路での二重レイリー散乱や、光増幅器の雑音指数、光増幅器への入力信号光パワーの管理をする必要がある。二重レイリー散乱に対しては、外部変調型の光送信器１０の位相変調により或る程度回避することが可能である。一方で、光増幅器については、特に光増幅器への入力光パワーを＋０ｄＢｍ以上にすることが望ましい。敷設されている光ケーブルの損失はファイバ単体の損失に比べて増大しているものも多いが、例えば、３０ｋｍスパンの光伝送路において、入力信号光パワーを１３ｄＢｍとした場合には０.４ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失であることが望ましい。さらには、０.３ｄＢ／ｋｍ程度であれば、光増幅器への入力信号光レベルを＋４ｄＢｍ程度にすることも可能であり、より良好なＣＮＲ特性を得ることが可能となる。

評価システム２では２３０ｋｍ程度の長さの光伝送を実現するのみであるが、これよりも長距離を伝送させるためにはΔＥは更に大きい値（例えば２０ｄＢ以上）であることが望ましい。ΔＥを大きくするには、光ファイバ伝送路に入力する信号光のパワーの低減、位相変調の周波数の調整、位相変調の変調指数の調整、および、光ファイバ伝送路として非線形性の低いファイバの使用、等により可能である。光ファイバ伝送路に入力する信号光のパワーを低減するには、光ファイバ伝送路の損失と中継局や光受信器に入る光のパワーが十分なレベルを保つことができるようにすればよい。位相変調の周波数の調整および変調指数の調整については、図８に自己位相変調および位相変調による伝送信号間でのＣＳＯと伝送距離との関係を示す。単にΔＥを大きくするだけではなく、このＣＳＯの値も管理をする必要がある。さらに変調指数を小さくしすぎると、信号光のＳＢＳ閾値が低減するので、注意が必要である。

また、７７０ＭＨｚ以下の周波数帯域に２次歪み成分が落ち込まないようにするためには、光位相変調部のトーン信号周波数は１.５ＧＨｚ以上であることが望ましい。一方で、多チャンネルのアナログ信号光のうち、強度変調信号を１２ch（２１７.２５ＭＨｚ）までのみ配置させるだけの場合は、３次歪み成分のうちアナログ信号が寄与しているものの影響を考えると、トーン信号周波数は１.７ＧＨｚ以上であることが望ましい。さらに、すべての３次歪み成分が落ち込まないようにするためには、トーン信号周波数は２.３ＧＨｚ以上であることが望ましい。

本実施形態に係る光伝送システム１の概略構成図である。本実施形態に係る光伝送システム１に含まれる光送信器１０の構成図である。多チャンネルのアナログ信号光を長距離伝送した場合に問題となる光ファイバ伝送路における非線形性に因る歪み成分を説明する概念図である。差ΔＥと伝送特性との関係を評価するための用いた評価システム２の構成図である。各ファイバの損失、レイリー散乱係数、波長分散値、波長分散スロープ、非線形屈折率、実効断面積を纏めた図表である。評価システム２の光受信器２０におけるＲＦ信号波形の一例を示す図である。評価システム２の光受信器２０におけるＲＦ信号波形の他の例を示す図である。自己位相変調および位相変調による伝送信号間でのＣＳＯと伝送距離との関係を示す図である。

符号の説明

１…光通信システム、１０…光送信器、２０…光受信器、３０…光ファイバ伝送路、１０１…光源、１０２…光位相変調部、１０３…光強度変調部、１０４…プリディストーション部、１０５…オフセット部、１０６…パイロット信号発生部、１０７…光カプラ、１０８…受光部、１０９…トーン信号生成部。

Claims

多チャンネルの光を出力する光源と、前記光源から出力される多チャンネルの光を位相変調して出力する光位相変調部と、前記光位相変調部から出力される多チャンネルの光を強度変調して信号光として出力する光強度変調部と、前記光位相変調部において多チャンネルの光を位相変調するためのトーン信号を生成するトーン信号生成部と、を含む外部強度変調型の光送信器と、
前記光送信器から出力され光ファイバ伝送路を経て到達した多チャンネルの信号光を受信する光受信器と、
を備え、
前記トーン信号生成部により生成されるトーン信号のうち最も周波数が低いトーン信号と前記多チャンネルの信号光との間で生じる２次歪み成分のうち最も振幅強度が大きい成分と、前記多チャンネルの信号光のうち最も振幅強度が大きい成分との差ΔＥが、前記光受信器による受信の際に１５ｄＢより大きくなるように、前記トーン信号生成部により生成されるトーン信号の中心周波数および変調指数が設定されている、
ことを特徴とする光通信システム。
前記トーン信号生成部により生成されるトーン信号のうち最も周波数が低いトーン信号の周波数が１.５５ＧＨｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
前記トーン信号生成部により生成されるトーン信号のうち最も周波数が低いトーン信号の周波数が１.７０ＧＨｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
前記トーン信号生成部により生成されるトーン信号のうち最も周波数が低いトーン信号の周波数が２.３ＧＨｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
前記多チャンネルの信号光の波長において、前記光ファイバ伝送路の波長分散値が＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上＋２５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、前記光ファイバ伝送路のレイリー散乱係数が５×１０^−８／ｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
前記光ファイバ伝送路が、前記多チャンネルの信号光の波長において波長分散値が−１４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の分散補償光ファイバを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
前記光送信器から前記光受信器へ至る光ファイバ伝送路として第１光ファイバ伝送路および第２光ファイバ伝送路を備え、前記多チャンネルの信号光の波長において前記第１光ファイバ伝送路および前記第２光ファイバ伝送路それぞれの累積波長分散の差が８０ｐｓ／ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。