JP2011254431A - 光直交周波数分割多重光信号の生成方法及び生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数利用効率の高い光ＯＦＤＭ信号を生成する光直交周波数分割多重光信号の生成方法及び生成装置を提供する。
【解決手段】光シリアル・パラレル変換器２０により、入力光信号を４つの波長からなる光信号に変換すると共に波長毎に分波し、光サブキャリア発生器１１により、分波した光信号のビットレートに相当する周波数間隔を有する４つの変換光を生成し、各波長変換器Ｃ１〜Ｃ４により、光信号の波長毎に異なる変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする光信号に波長変換し、各フィルタＴ１〜Ｔ４により、光信号の周波数の帯域幅がビットレートの２倍に相当する周波数となるように、帯域幅を制限して光信号を透過させ、光合波器１４により、４つの透過された光信号を合波して、入力光信号から光ＯＦＤＭ信号を生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ通信において、高い周波数利用効率を実現する光直交周波数分割多重伝送のため、光直交周波数分割多重光信号を生成する生成方法及び生成装置に関する。

近年の光ファイバ通信システムに対する要求として、波長分割多重光伝送技術を基本とした、総伝送容量が数テラビット／秒から数十テラビット／秒を可能とする伝送システム及びデバイスの研究開発が盛んに行われている。従来の光ファイバ通信で用いられている、強度「０」、「１」のみを信号として用いるバイナリ伝送による強度変調、直接検波方式の場合、４０ギガビット／秒や１００ギガビット／秒といった高速化に伴い、送信信号の光スペクトルが広がる結果、分散耐性が急激に劣化するだけでなく、波長分割多重におけるチャネル間クロストークを避けるために、波長間隔を広く確保する必要があるなど、周波数利用効率の低下やネットワークの柔軟性を低下させる要因となっている。そこで、１チャネルあたりの周波数帯域を占有せずにビットレートを増大させる方法として、変調方式の多値化や多重化などの技術が重要となっている。

分散耐性の向上と周波数利用効率を高めるための技術として、直交周波数分割多重方式（Orthogonal Frequency Division Multiplexing : ＯＦＤＭ）が有望視されている。同方式は、マルチキャリア伝送方式の一種であり、各々のサブキャリアが直交関係となるような条件の下で多重化することにより、サブキャリア間の変調スペクトルのオーバーラップに対して受信端で分離、復調可能なことから、移動体無線通信を始めとするワイヤレス伝送において実用化されている。直交周波数分割多重方式では、単一キャリアの伝送と比べて、サブキャリアあたりのビットレートを１／Ｎ（Ｎ：光サブキャリア数）に低速化が可能となるため、同方式を光ファイバ通信に適用することで、各サブキャリアの送信信号のスペクトル広がりを抑圧し、光ファイバの波長分散や偏波モード分散に起因する伝送容量の制限を緩和することができる。

直交周波数分割多重方式を光ファイバ通信システムに応用する手段として、非特許文献１に示されているような電気処理によって生成されたＯＦＤＭベースバンド信号を用いて光変調器を駆動する方式がある。同方式は、従来のワイヤレス方式との親和性が期待できるが、高速大容量化が求められている光ファイバ通信システムにおいては、電気処理系の帯域によって伝送速度が律速される。

一方、特許文献１及び特許文献２などに示されているように、光の領域で光直交サブキャリアを生成し、各々のサブキャリアを強度変調又は位相変調する方法が提案されている。伝送シミュレートの目的では、１つの変調器を用いて、光直交サブキャリアを一括で変調し伝送容量を得ることが可能であるが、実際の応用では、サブキャリアごとに異なるデータ信号で変調することが求められるため、複数個の変調器が必須となる。

特開２００９−０１７３２０号公報 特開２００９−１２４７００号公報

S. L. Jansen, I. Morita, N. Takeda, and H. Tanaka, "20-Gb/s OFDM Transmission over 4,160-km SSMF Enabled by RF-Pilot Tone Phase Noise Compensation", Proc. of OFC/NFOEC2007, paper PDP15, 2007

特許文献１及び特許文献２に示されるような、光直交サブキャリアを生成、分離して個別に光変調する方法では、サブキャリアの増加によって、光変調器を駆動するための電気回路の帯域の緩和と同時に周波数利用効率を向上させることができる。一方で、サブキャリアの増加は、光変調器とそれを駆動するための高周波電気回路が増加するだけでなく、電気回路と光変調器を接続するための高周波の電気配線による光変調器間の電気的なクロストークが問題となる。その結果、実用上の光サブキャリア数が制限されてしまう。光サブキャリア数の設定は、光伝送路の特性に応じて良好な伝送特性を得るためや周波数利用効率の向上など光ＯＦＤＭ信号の伝送特性を示すための重要なパラメータとなっている。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、上記のような光サブキャリアを個別に変調する方法とは異なる方法で、周波数利用効率の高い光ＯＦＤＭ信号を生成する光直交周波数分割多重光信号の生成方法及び生成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成方法は、
単一の波長の入力光信号を入力するステップと、
前記入力光信号を２つ以上の波長数の波長からなる光信号に変換すると共に、当該光信号を波長毎に分波するステップと、
分波した前記光信号のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成するステップと、
分波した前記光信号の波長毎に、当該光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする他の光信号に波長変換するステップと、
波長変換した前記他の光信号の波長毎に、当該他の光信号の周波数の帯域幅が前記ビットレートの２倍に相当する周波数となるように、前記帯域幅を制限して当該他の光信号を通過させるステップと、
前記波長数の透過された前記他の光信号を合波して出力するステップとを有し、
入力した前記入力光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成方法は、
上記第１の発明に記載の光直交周波数分割多重光信号の生成方法において、
前記分波するステップは、
前記入力光信号のビット毎に、当該入力光信号を異なる波長と重畳して、当該波長を中心波長とする光信号に波長変換して、前記波長数の波長からなる光信号に変換するステップと、
変換した前記光信号を波長毎に分波するステップとを有することを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成方法は、
単一の波長の入力光信号を入力するステップと、
前記入力光信号のビットレートを２つ以上の波長数で割って他のビットレートを求めると共に、前記他のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成するステップと、
前記入力光信号のビット毎に、当該入力光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする光信号に波長変換するステップと、
前記入力光信号のビット毎に、波長変換した前記光信号の周波数の帯域幅が前記他のビットレートの２倍に相当する周波数となるように、前記帯域幅を制限して当該光信号を通過させるステップとを有し、
入力した前記入力光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成方法は、
上記第３の発明に記載の光直交周波数分割多重光信号の生成方法において、
前記通過させるステップは、
前記入力光信号のビット毎に、制限する前記帯域幅の中心波長を前記変換光の波長に同期させて、前記光信号を通過させることを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成方法は、
２つ以上の波長数の波長からなる波長分割多重光信号を入力するステップと、
前記波長分割多重光信号を波長毎の光信号に分波するステップと、
分波した前記光信号のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成するステップと、
分波した前記光信号の波長毎に、当該光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする光信号に波長変換するステップと、
前記波長数の波長変換した前記光信号を合波して出力するステップとを有し、
入力した前記波長分割多重光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成装置は、
入力した単一の波長の入力光信号を、２つ以上の波長数の波長からなる光信号に変換すると共に、当該光信号を波長毎に分波する変換器と、
分波した前記光信号のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成する変換光発生器と、
分波した前記光信号の波長毎に設けられ、当該波長毎に、当該光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする他の光信号に波長変換する波長変換器と、
分波した前記光信号の波長毎に設けられ、波長変換した前記他の光信号の波長毎に、当該他の光信号の周波数の帯域幅が前記ビットレートの２倍に相当する周波数となるように、前記帯域幅を制限して当該他の光信号を通過させるフィルタと、
前記波長数の透過された前記他の光信号を合波して出力する光合波器とを有し、
入力した前記入力光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする。

上記課題を解決する第７の発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成装置は、
上記第６の発明に記載の光直交周波数分割多重光信号の生成装置において、
前記変換器は、
前記入力光信号のビット毎に、当該入力光信号を異なる波長と重畳して、当該波長を中心波長とする光信号に波長変換して、前記波長数の波長からなる光信号に変換する他の波長変換器と、
変換した前記光信号を波長毎に分波する光分波器とを有することを特徴とする。

上記課題を解決する第８の発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成装置は、
入力した単一の波長の入力光信号のビットレートを２つ以上の波長数で割って他のビットレートを求めると共に、前記他のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成する変換光発生器と、
前記入力光信号のビット毎に、当該入力光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする光信号に波長変換する波長変換器と、
前記入力光信号のビット毎に、波長変換した前記光信号の周波数の帯域幅が前記他のビットレートの２倍に相当する周波数となるように、前記帯域幅を制限して当該光信号を通過させるフィルタとを有し、
入力した前記入力光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする。

上記課題を解決する第９の発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成装置は、
上記第８の発明に記載の光直交周波数分割多重光信号の生成装置において、
前記フィルタは、
前記入力光信号のビット毎に、制限する前記帯域幅の中心波長を前記変換光の波長に同期させて、前記光信号を通過させる同期型波長可変フィルタであることを特徴とする。

上記課題を解決する第１０の発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成装置は、
入力した２つ以上の波長数の波長からなる波長分割多重光信号を、波長毎の光信号に分波する光分波器と、
分波した前記光信号のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成する変換光発生器と、
分波した前記光信号の波長毎に設けられ、当該波長毎に、当該光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする光信号に波長変換する波長変換器と、
前記波長数の波長変換した前記光信号を合波して出力する光合波器とを有し、
入力した前記波長分割多重光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする。

本発明によれば、電気的なクロストークの影響を受けることなく、周波数利用効率の高い光ＯＦＤＭ信号を生成することができる。

従来の光ＯＦＤＭ信号の生成装置を示す概略構成図である。 本発明に係る光ＯＦＤＭ信号の生成装置について、その実施形態の一例（実施例１）を示す概略構成図である。 光ＯＦＤＭ信号の生成を説明する図であり、（ａ）は入力信号スペクトル、（ｂ）は光サブキャリアのスペクトル、（ｃ）は波長変換後のスペクトル、（ｄ）は光フィルタ通過後の光スペクトル、（ｅ）は合波後の光スペクトルである。 図２に示した光ＯＦＤＭ信号の生成装置における光シリアル・パラレル変換器を示す概略構成図である。 １対４の光シリアル・パラレル変換における波長制御光源の時間応答を示す図である。 １対４の光シリアル・パラレル変換における時間応答波形を示す図であり、（ａ）は入力された光信号、（ｂ）は波長変換器後の出力信号、（ｃ）は光分波器後の信号である。 本発明に係る光ＯＦＤＭ信号の生成装置について、その実施形態の他の一例（実施例２）を示す概略構成図である。 光サブキャリア数Ｎを４としたときの波長可変光源発信周波数と同期型高速波長可変光フィルタ中心波長の時間応答を示す図である。 単一キャリア伝送における光ファイバの損失限界と分散限界を考慮した伝送距離とビットレートとの関係を示すグラフである。 本発明に係る光ＯＦＤＭ信号の生成装置について、その実施形態の他の一例（実施例３）を示す概略構成図である。 従来のＷＤＭ方式及び光ＯＦＤＭ信号による多重化方式のスペクトルを示す図である。

以下、本発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成方法及び生成装置の実施形態のいくつかについて、図１〜図１１を参照して説明を行う。

（実施例１）
まず、本実施例の説明の前に、直交周波数分割多重（以降、ＯＦＤＭと呼ぶ。）について、その基本原理を述べる。ＯＦＤＭは、マルチキャリア変調の一種であり、その特徴である高速信号列の並列伝送によるサブキャリアあたりの低速化と同時に、サブキャリア間の直交関係を用いることで、伝送する占有帯域幅を抑圧することができる。ここで、ＯＦＤＭにおける直交関係とは、各サブキャリアを変調するシンボルレート１／Ｔと光サブキャリア周波数間隔Δｆとの間にΔｆ＝１／Ｔの関係が成立するとき、サブキャリア毎の伝送スペクトルがオーバーラップしていても、受信端で各サブキャリアの分離、識別が可能になるというものである。

上記のＯＦＤＭの基本原理を光ファイバ通信帯に適用する場合、光搬送波周波数（＝波長）を、直交関係を満たす周波数間隔（又は波長間隔）で配置し、それを光サブキャリアとして、その周波数間隔に一致するシンボルレートで変調することで実施される。

ここで、光ＯＦＤＭ信号を生成する従来の生成装置を図１に示し、これを用いて、ＯＦＤＭの生成方法を説明する。

従来の光ＯＦＤＭ信号の生成装置において、光サブキャリア発生器１１は、半導体レーザ等の光源１２からの出力光を種光として、光サブキャリア周波数間隔が一定の入力光サブキャリア（変換光）を生成する。生成された入力光サブキャリアは、光分波器１３を介して入力光サブキャリア毎に分波されて、光変調器Ｍ１〜Ｍ４に入力される。光変調器駆動用高周波電気回路Ｅ１〜Ｅ４において、光変調器Ｍ１〜Ｍ４を駆動するための電気ベースバンド信号は、データ信号１〜４に基づき、光サブキャリア周波数間隔に一致するシンボルレートとすることで、ＯＦＤＭの直交関係が満たされる。各々の光変調器Ｍ１〜Ｍ４から出力される変調された光サブキャリアを、光合波器１４を用いて一括多重することで、光ＯＦＤＭ信号が生成される。このとき、光サブキャリアを増加することによって、総伝送容量を一定とし、各光サブキャリアの占有帯域幅を抑えることで、分散耐性の向上と電気処理系の帯域の緩和が期待できる。

しかしながら、前述したように、光サブキャリアの増加は、光変調器の数の増加と共に光変調器駆動用高周波電気回路の数とその接続に要する電気配線の数の増加を引き起こし、配線チャネル間のクロストークの問題となり、特に、モジュール化を想定した際、光サブキャリア数の上限は現実的な構成によって決定されるといえる。光サブキャリア数の増加は周波数利用効率向上のために重要であるにも関わらず、その上限が電気クロストークによって制限されてしまう結果となる。

そこで、本実施例においては、光ＯＦＤＭ信号を生成する生成装置を、図２に示す構成とした。

本実施例の生成装置は、光サブキャリア発生器１１（変換光発生器）、光源１２、光分波器１３、光合波器１４、光シリアル・パラレル変換器２０（変換器）、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４及び帯域通過フィルタ（以降、フィルタと呼ぶ。）Ｔ１〜Ｔ４を有する。

光シリアル・パラレル変換器２０には、単一の波長の入力光信号が入力されるが、ここでは、この入力光信号を２つ以上の波長数（＝光サブキャリア数）の波長からなる光信号に変換すると共に、変換した光信号を波長毎に分波している。この光シリアル・パラレル変換器２０については、更に、後述の図４を用いて、詳細に説明する。光サブキャリア発生器１１及び光源１２では、半導体レーザ等からなる光源１２からの出力光を種光として、光シリアル・パラレル変換器２０で分波した光信号のビットレートＢに相当する一定の周波数間隔を有する波長数分の入力光サブキャリア（変換光）を生成している。そして、光分波器１３において、光サブキャリア発生器１１で生成された波長数分の入力光サブキャリアを入力光サブキャリア毎に分波している。

本実施例では、一例として、波長数（＝光サブキャリア数）を「４」としており、この波長数分の波長変換器Ｃ１〜Ｃ４及びフィルタＴ１〜Ｔ４が設けられている。そして、各波長変換器Ｃ１〜Ｃ４には、光シリアル・パラレル変換器２０で分波した光信号が各々入力される共に、光サブキャリア発生器１１で生成され、光分波器１３で分波された入力光サブキャリアが各々入力される。そして、各波長変換器Ｃ１〜Ｃ４では、波長毎に、光信号を異なる入力光サブキャリアと重畳して、当該入力光サブキャリアを中心波長とする光信号（光サブキャリア）に波長変換している。フィルタＴ１〜Ｔ４では、波長毎に、波長変換された光サブキャリアの周波数の帯域幅が上記ビットレートＢの２倍に相当する周波数となるように（つまり、光ＯＦＤＭの直交条件となる帯域となるように）、帯域幅を制限して当該光サブキャリアを通過させている。光合波器１４では、フィルタＴ１〜Ｔ４を通過した波長数分の光サブキャリアを一括して合波して出力しており、この結果、光ＯＦＤＭ信号を生成している。

このように、本実施例では、図１に示した光変調器駆動用高周波電気回路Ｅ１〜Ｅ４及び光変調器Ｍ１〜Ｍ４の代わりに、光信号をシリアルからパラレルに変換する光シリアル・パラレル変換器２０、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４及びフィルタＴ１〜Ｔ４を用いて、光ＯＦＤＭ信号を生成することを特徴としている。つまり、光変調器駆動用高周波電気回路Ｅ１〜Ｅ４から電気配線を介して送られた高周波信号で光変調器Ｍ１〜Ｍ４を駆動する代りに、光シリアル・パラレル変換器２０から送られた光伝送路中を通る光信号を用い、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４によって、光ＯＦＤＭ信号を生成している。

本実施例では、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４によって、入力光信号の搬送波周波数である波長を、光ＯＦＤＭの直交条件となる周波数間隔の光サブキャリアに変換することを基本動作としている。ここで、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４は、光搬送波周波数変換器として動作することを意味している。

入力光信号は、光シリアル・パラレル変換器２０によって、シリアル信号列からパラレル信号へと変換され、この時のパラレル出力のポート数が光サブキャリア数に相当する。パラレル信号出力を波長変換器Ｃ１〜Ｃ４の光信号とし、光サブキャリア発生器１１からの出力を光分波器１３によってそれぞれ分波したものをＣＷ光（変換光）として用いる。波長変換器Ｃ１〜Ｃ４からの出力は、光ＯＦＤＭの直交条件となる周波数間隔の光サブキャリアであり、このような光サブキャリアに変換された後、光ＯＦＤＭの直交条件を満たすようなスペクトルに整形するフィルタＴ１〜Ｔ４を介して、光合波器１４に入力され、光合波器１４を用いて合波することによって、光ＯＦＤＭ信号が生成される。

ここで、２＾ｋ値変調方式において、シンボルレート１／ＴとビットレートＢとの関係Ｂ＝ｋ／Ｔを用いて、ｋ＝１となる２値強度変調の場合について、本実施例の生成装置における光ＯＦＤＭ信号の生成方法を、図３（ａ）〜（ｅ）に示す光スペクトルの概念図を用いて説明する。なお、図３では、一例として、光サブキャリア数Ｎ＝４としている。

光シリアル・パラレル変換器２０から波長変換器Ｃ１〜Ｃ４に入力する光信号は、シリアルからパラレルに変換されたものであり、図３（ａ）に示すように、周波数の占有帯域幅Ｎ×２Ｂの光スペクトルとなる。ここでは、光サブキャリア数Ｎ＝４であるので、占有帯域幅＝８Ｂとなる。なお、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４に各々入力する光信号は、各々の周波数ｆ_spが互いに異なれば、どのような波長でもよい。一方、光サブキャリア発生器１１からの出力は、図３（ｂ）に示すように、光サブキャリア周波数間隔をΔｆとする光周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４のものであり、光周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４が光分波器１３によって各々分波され、各波長変換器Ｃ１〜Ｃ４に入力されて、変換光として用いられる。

波長変換器Ｃ１〜Ｃ４へ入力する光信号として、光シリアル・パラレル変換器２０からの光出力である、図３（ａ）に示す占有帯域幅Ｎ×２Ｂのパラレル信号を用い、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４へ各々入力する変換光として、光分波器１３からの出力である、図３（ｂ）に示す光周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４を各々用いて、各々波長変換を行う。各波長変換器Ｃ１〜Ｃ４で変換された光サブキャリアのスペクトルは、図３（ｃ）に示すように、中心周波数が入力した変換光の周波数帯ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４にシフトした状態であり、その形状は入力した光信号と同じ占有帯域幅Ｎ×２Ｂの光スペクトルを持つことがわかる。

光ＯＦＤＭの直交条件Ｂ＝Δｆを満たすため、フィルタＴ１〜Ｔ４によって各々のスペクトルを整形する。フィルタＴ１〜Ｔ４通過後の光スペクトルは、図３（ｄ）に示すように、光サブキャリア周波数間隔はΔｆであり、中心周波数は周波数帯ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４であり、その形状は占有帯域幅２Ｂの光スペクトルを持つことになり、直交条件Ｂ＝Δｆを満たすことになる。

そして、フィルタＴ１〜Ｔ４通過後の光サブキャリアが光合波器１４で合波されるが、光合波器１４による合波後の光スペクトルは、図３（ｅ）に示すように、光サブキャリア数Ｎと光サブキャリア周波数間隔Δｆによって、占有帯域幅（Ｎ＋１）Δｆとなる。

例として、４０Ｇｂｉｔ／ｓの２値変調信号の占有帯域幅が８０ＧＨｚであるのに対して、光サブキャリア周波数間隔Δｆ＝１０ＧＨｚであり、光サブキャリア数Ｎ＝４本の光サブキャリアを用いた光ＯＦＤＭ信号とすると、これにより、占有帯域幅（Ｎ＋１）Δｆ＝（４＋１）×１０ＧＨｚ＝５０ＧＨｚとなることが明らかである。ビットレートを占有帯域幅で割ることで定義される周波数利用効率は、それぞれ０．５ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ及び０．８ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚであり、光ＯＦＤＭ信号によって周波数利用効率が大幅に改善することがわかる。更に、光サブキャリア周波数間隔Δｆ＝２．５ＧＨｚ、光サブキャリア数Ｎ＝１６本の光サブキャリアを用いることで、その周波数利用効率は０．９４ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚとなり、周波数利用効率を更に改善できることが明らかである。

本発明では、本実施例を含めて、波長変換器として、半導体光増幅器や非線形光学媒体等による相互位相変調、相互利得変調や電界吸収型変調器の相互吸収変調を用いている。そのため、光変調器の駆動方法が従来方法とは異なり、高周波数の電気信号を用いることなく、直流電源等のバイアスのみで駆動できることが可能となる。

これは、光サブキャリア数を増加する際に変調器を増加する従来方法と比較して、電気的クロストークによる問題を根本的に解決できる手段である。又、光の合分波器は、半導体及び石英系のアレイ回折格子導波路や多モード干渉導波路等を用いることができる。これらの導波路を基本構造とするデバイスは、半導体光源や光変調器、光増幅器等とモノリシック又はハイブリッドに集積することが可能である。

図４は、本実施例における光シリアル・パラレル変換器２０の概略構成を示す図である。光シリアル・パラレル変換器２０では、波長変換器２２（他の波長変換器）と高速波長制御光源２４とを用いて、入力光信号のビット毎に、当該入力光信号を異なる波長と重畳して、当該波長を中心波長とする光信号に波長変換しており、これにより、光サブキャリア数分の波長からなる光信号に変換している。その後、光分波器２５を用いて、変換した光信号を波長毎に分波して、パラレル信号に変換している。このとき、入力光信号は、光分流器２１を用いて２つに分岐され、一方は波長変換器２２へ、もう一方はタイミング発信器２３へ入力されており、このタイミング発信器２３では、入力光信号に同期したタイミング電気信号（クロック信号）を生成し、それを基に高速波長制御光源２４を駆動して、波長変換器２２に入力する異なる波長の変換光を生成している。

図５は、１対４の光シリアル・パラレル変換を例としたときの高速波長制御光源２４の時間応答を示している。高速波長制御光源２４の発振周波数と発振強度を、クロック信号に同期して変化するように駆動し、これらの光出力を波長変換器２２への変換光として用いる。これにより、波長変換器２２の出力として、入力した光信号の１ビットの時間単位で、高速波長制御光源２４の発振周波数ｆ_sp1、ｆ_sp2、ｆ_sp3、ｆ_sp4に同期した信号が得られる。

図６は、図５と同様に、１対４の光シリアル・パラレル変換を例としたときの波長変換器２２、光分波器２５での時間応答波形の概念図を示している。波長変換器２２へ入力した入力光信号は、図６（ａ）に示すように、シリアル信号である。そして、波長変換器２２の出力光信号は、図６（ｂ）に示すように、高速波長制御光源２４の発信周波数ｆ_sp1、ｆ_sp2、ｆ_sp3、ｆ_sp4が時間軸上で１ビット毎に転写された波形となる。この信号を光分波器２５によって波長（周波数）毎に分波することで、図６（ｃ）に示すように、パラレル信号となる。各パラレル信号は、上述したように、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４への光信号として入力されており、光分波器１３からの入力光サブキャリア（変換光）を各々用いて、光ＯＦＤＭの直交条件となる周波数間隔の光サブキャリアに波長変換される。その後、フィルタＴ１〜Ｔ４によって、光ＯＦＤＭの直交条件を満たすようなスペクトルに整形され、更に、光合波器１４で合波されることにより、光ＯＦＤＭ信号が生成されることになる。

本実施例において、光サブキャリア数Ｎは、波長変換に用いる変換光の波長数と光分波器２５の出力ポート数によって決定される。そのため、高速波長制御光源２４の駆動方法を制御することで出力させる変換光の波長数を増加させ、それに対応した出力ポート数を備えた光分波器２５を用いることで、容易に制御可能である。ここでは、高速波長制御光源２４として多電極構造を用いた電子注入制御型の半導体波長制御光源や高速周波数変調光源等を用いることで、高速波長可変が可能になる。

（実施例２）
図７は、本実施例の光ＯＦＤＭ信号の生成装置を示す概略構成図である。光ＯＦＤＭ信号の生成に関する基本原理は、上述の実施例１と同様であり、図３において説明した通りであるが、本実施例は、より簡易な構成としたものである。

実施例１においては、入力した光信号をシリアル・パラレル変換するための波長変換器２２と光ＯＦＤＭ信号生成のための波長変換器Ｃ１〜Ｃ４とが、それぞれに対して必要であり、かつ、光シリアル・パラレル変換用の高速波長制御光源２４と光ＯＦＤＭ信号生成用の光サブキャリア発生器１１とが必要であり、それぞれ別の光源が必要であった。更に、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４とフィルタＴ１〜Ｔ４とは、使用する光サブキャリアの数だけ用いることが必須であった。

そこで、本実施例においては、光ＯＦＤＭ信号を生成する生成装置を、図７に示す構成とした。

本実施例の生成装置は、光分流器３１、波長変換器３２、タイミング発信器３３、制御回路３４、高速波長制御光源３５（変換光発生器）、同期型高速波長可変フィルタ（以降、可変フィルタと呼ぶ。）３６を有する。

光分流器３１では、単一の波長の入力光信号を２つに分岐しており、２つに分岐した入力光信号の一方が波長変換器３２に入力され、他方がタイミング発信器３３に入力される。タイミング発信器３３では、入力光信号の１ビットに同期したタイミング電気信号（クロック信号）を生成しており、このクロック信号が制御回路３４に入力される。制御回路３４では、クロック信号を基に、電気制御同期信号を生成しており、この電気制御同期信号が高速波長制御光源３５と共に可変フィルタ３６に入力される。高速波長制御光源３５は、電気制御同期信号を基に駆動されており、ここでは、波長変換器３２に入力する入力光サブキャリア（変換光）をビット毎に生成している。生成された入力光サブキャリア同士は、一定の周波数間隔を有するが、この周波数間隔は、入力光信号のビットレートを所望の波長数（サブキャリア数）で割ったビットレート（他のビットレート）Ｂに相当するものである。

従って、波長変換器３２には、光分流器３１で２つに分岐した入力光信号の一方が入力される共に、高速波長制御光源３５で生成された入力光サブキャリアが入力される。そして、波長変換器３２では、入力光信号のビット毎に、当該入力光信号を異なる入力光サブキャリアと重畳して、当該入力光サブキャリアを中心波長とする光信号（光サブキャリア）に波長変換している。つまり、入力光信号の搬送波周波数である波長を光ＯＦＤＭの直交条件を満たす周波数間隔の光サブキャリアに波長変換している。

そして、可変フィルタ３６も電気制御同期信号を基に駆動されており、ここでは、入力光信号のビット毎に、波長変換した光サブキャリアの周波数の帯域幅が上記他のビットレートＢの２倍に相当する周波数となるように（つまり、光ＯＦＤＭの直交条件となる帯域となるように）、帯域幅を制限して当該光サブキャリアを通過させており、この結果、光ＯＦＤＭ信号を生成している。

このように、本実施例では、入力光信号に対して、波長変換器３２により光シリアル・パラレル変換と同時に光ＯＦＤＭの直交条件を満たすための波長変換を行い、更に、それと同期して、可変フィルタ３６によりスペクトル整形することを特徴としている。

一連の動作を説明すると、入力光信号は、光分流器３１によって２つに分岐され、実施例１で述べた光シリアル・パラレル変換器２０と同様に、波長変換器３２とタイミング発信器３３へそれぞれ入力される。タイミング発信器３３は、入力光信号に同期したクロック信号を生成し、高速波長制御光源３５と可変フィルタ３６を駆動するための制御回路３４へ入力する。

制御回路３４は、高速波長制御光源３５と可変フィルタ３６とに対して、クロック信号を基に、図８に示すような駆動制御を行う。ここで、図８は、光サブキャリア数Ｎを４としたときの例である。高速波長制御光源３５の発振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４の入力光サブキャリアを、光ＯＦＤＭの直交条件を満たす周波数間隔Δｆで動作させ、波長変換器３２へ変換光として入力する。波長変換器３２の出力光信号は、高速波長制御光源３５の発振周波数に同期した状態で出力されるが、その光スペクトル形状は入力光信号と同等である。従って、そのまま合波しただけでは、光ＯＦＤＭの直交条件が成立しない。

そこで、図８に示すように、可変フィルタ３６の時間応答は、高速波長制御光源３５からの入力光サブキャリアの発振周波数（発振波長）に対して、占有帯域幅を２Ｂ（＝２Δｆ）に固定すると共に、入力光信号のビット毎に、制限する帯域幅の中心波長、つまり、可変フィルタ３６の中心周波数を高速波長制御光源３５の入力光サブキャリアの発振周波数（発振波長）と同期するように可変している。これにより、光シリアル・パラレル変換の動作と同時に可変フィルタ３６によってスペクトルが整形され、光ＯＦＤＭ信号が生成される。

実施例１では、図３及び図５に示したように、光ＯＦＤＭ信号を生成するための光サブキャリア発生器１１の光周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４と光シリアル・パラレル変換のための高速波長制御光源２４の光周波数ｆ_sp1、ｆ_sp2、ｆ_sp3、ｆ_sp4とは、それぞれ別の光周波数であったが、本実施例では、高速波長制御光源３５の発振周波数とそれに同期する可変フィルタ３６を用いることで、光シリアル・パラレル変換と光ＯＦＤＭ信号生成のための波長変換を同一の光周波数を用いて、１台の波長変換器３２で同時に行うことが可能となる。

同期型の光フィルタとしては、直交条件となりうる占有帯域幅を予め設計したもの、若しくは、直流電気信号によって制御可能な帯域幅可変光フィルタ用いて、それらの中心周波数が、高速波長制御光源の発振光周波数と一致するように制御することで、光ＯＦＤＭ信号の生成が可能となる。光フィルタの基本構造としては、ブラッグ回折格子を用いたものやファブリペロー共振器等を用いたもので、高速波長制御光源と同様に、電子注入制御により中心周波数と占有帯域幅を制御可能なものを用いる。

本実施例では、高速波長制御光源３５及び可変フィルタ３６の各々の制御を、タイミング発信器３３からのクロック信号を用いて行うため、高周波数帯の電気系処理を要する部分が、実質上、制御回路３４と高速波長制御光源３５と可変フィルタ３６の駆動用の電気配線のみとなる。そのため、光サブキャリア数の増加は、制御回路３４により、高速波長制御光源３５の発振周波数の動作点と、それに同期する可変フィルタ３５の中心周波数及び直交条件を満たすための占有帯域幅を設定することで可能となる。従って、光サブキャリア数増大に伴う高周波電気配線の問題を解決することができる。又、光サブキャリア数の変化に対して柔軟に対応することができる。

又、本実施例では、波長変換器３２の数も１台であり、光サブキャリア数増加に伴う波長変換器３２の増加時の低消費電力化も期待できる。光サブキャリア数Ｎの上限は、高速波長制御光源３５及び可変フィルタ３６の可変帯域幅ΔＦに対して、全帯域を光サブキャリアとして用いると仮定すると、２ΔＦ／Ｎの占有帯域幅を有する可変フィルタ３６を現実的に構成できるかによって決定される。５０ＧＨｚの可変帯域に対して１０本のサブキャリアを用いて光ＯＦＤＭ信号を生成するとき、要求される可変フィルタ３６の占有帯域幅は１０ＧＨｚとなる。

典型的な光ファイバ通信帯波長である１５５０ｎｍ帯で光ＯＦＤＭ信号生成するとき、光周波数換算で１９３．５４８３ＴＨｚ近傍に光サブキャリアを生成することになる。例として、光サブキャリア周波数間隔２．５ＧＨｚ、光サブキャリア数１６本を用いて、４０Ｇｂｉｔ／ｓのシリアル信号から光ＯＦＤＭ信号を生成する時、光サブキャリアの周波数帯としては、１９３．５２８３〜１９３．５６８３ＴＨｚの周波数範囲となり、波長範囲で０．３２ｎｍである。又、可変フィルタ３６の占有帯域幅としては、光ＯＦＤＭの直交条件により５ＧＨｚとなる。光ＯＦＤＭ信号にすることで、占有帯域幅と周波数利用効率はそれぞれ４２．５ＧＨｚ及び０．９４ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚとなる。

図９に、単一キャリア伝送における光ファイバの損失限界と分散限界を考慮した伝送距離とビットレートとの関係を示す。ここで、分散定数Ｄ＝１７ｐｓ／ｋｍ−ｎｍ、波長１５５０ｎｍと仮定した。

図９から明らかなように、ビットレートに反比例して、伝送可能な距離が制限されることがわかる。単一キャリアによる４０Ｇｂｉｔ／ｓの伝送距離の限界は、２〜３ｋｍ程度であるが、光ＯＦＤＭ信号においては、各光サブキャリアの直交関係により、２．５Ｇｂｉｔ／ｓのビットレートで変調された１６本の光サブキャリアが、互いに干渉せず独立に伝送することが可能となる。これは、１６×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ＝４０Ｇｂｉｔ／ｓの伝送容量であるにも関わらず、伝送距離の理論限界が６００ｋｍまで拡大できることを意味する。同様にして、光サブキャリア数４、周波数間隔１０ＧＨｚで４０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号を光ＯＦＤＭ信号に変換するとき、周波数利用効率０．８ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚで伝送距離は４０ｋｍ程度が可能となる。

本実施例においては、送信すべき伝送容量と伝送距離を決定し、光ＯＦＤＭ信号を生成するための波長変換器、光フィルタ、光合分波器等の各構成要素の仕様を考慮することで、光サブキャリア数が決定される。従って、変調器を複数駆動する従来方法と比較して、本実施例は、光サブキャリア数の変化に柔軟に対応可能であり、光通信システムを設計する上で極めて有効である。

（実施例３）
図１０は、本実施例の光ＯＦＤＭ信号の生成装置を示す概略構成図である。本実施例では、従来のＷＤＭ方式による光信号を光ＯＦＤＭ信号に変換する構成としたものである。なお、本実施例において、実施例１に示した生成装置の構成と同等のものには、同じ符号を付している。

本実施例の生成装置は、光サブキャリア発生器１１（変換光発生器）、光源１２、光分波器１３、光合波器１４、光分波器４２、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４を有する。波長変換器Ｃ１〜Ｃ４は、光分波器４２で分波した光信号の波長毎に設けられている。

光分波器４２で分波される波長分割多重光信号は、複数のチャネル、即ち、２つ以上の波長数の光信号を光合波器４１で予め多重化（合波）している。このような波長分割多重光信号が光分波器４２に入力されて、光分波器４２で波長毎の光信号に分波している。光サブキャリア発生器１１及び光源１２では、半導体レーザ等からなる光源１２からの出力光を種光として、光分波器４２で分波した光信号のビットレートＢに相当する一定の周波数間隔を有する波長数分の入力光サブキャリア（変換光）を生成している。そして、光分波器１３において、光サブキャリア発生器１１で生成された波長数分の入力光サブキャリアを入力光サブキャリア毎に分波している。

本実施例では、一例として、波長分割多重光信号をｃｈ１〜ｃｈ４の４チャネルとしており、波長数（＝光サブキャリア数）は「４」となり、この波長数分の波長変換器Ｃ１〜Ｃ４が設けられている。そして、各波長変換器Ｃ１〜Ｃ４には、光分波器４２で分波した光信号が各々入力される共に、光サブキャリア発生器１１で生成され、光分波器１３で分波された入力光サブキャリアが各々入力される。そして、各波長変換器Ｃ１〜Ｃ４では、波長毎に、光信号を異なる入力光サブキャリアと重畳して、当該入力光サブキャリアを中心波長とする光信号（光サブキャリア）に波長変換しており、これにより、光ＯＦＤＭの直交条件を満たす光サブキャリアに変換している。光合波器１４では、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４で波長変換した光サブキャリア、即ち、波長数分の光サブキャリアを一括して合波して出力しており、この結果、光ＯＦＤＭ信号を生成している。

このように、本実施例では、従来のＷＤＭ方式による多重化方法を、周波数利用効率の高い光ＯＦＤＭ信号に変換することを特徴としている。

図１１に、従来のＷＤＭ方式より多重化したスペクトルと光ＯＦＤＭ信号により多重化したスペクトルの概念図を示す。従来のＷＤＭ方式による強度変調では、規格により定められた１つの周波数グリッド（＝チャネル）に対して１つの光信号を割当てる場合、その周波数利用効率は最大で０．５ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚに制限される。周波数グリッドの間隔を厳密に固定する場合には、この値より更に小さくなる。一方、本実施例では、従来のＷＤＭ方式による光信号を光ＯＦＤＭ信号に変換し、１つのグリッドに集約することで、周波数利用効率の増大を可能にしている。

例として、１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号を周波数グリッド１００ＧＨｚの４波長で、ＷＤＭ方式で多重化するとき、その周波数利用効率は０．１ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚであるが、これを本実施例により光ＯＦＤＭ信号に変換することで、０．４ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚと４倍となる。

本実施例では、光ファイバ中を一定のビットレートで伝送するＷＤＭ光信号を、光ＯＦＤＭ信号に変換する対象として用いるため、光分波器４２によってＷＤＭ光信号を波長毎に分波し、それぞれを波長変換器Ｃ１〜Ｃ４への光信号として入力する。変換光としては、実施例１と同様に、光サブキャリア発生器１１の光出力を用いる。このとき、波長変換器Ｃ１〜Ｃ４に入力する光信号のビットレートＢに対して、光ＯＦＤＭの直交条件となりうる光周波数間隔の入力光サブキャリア（変換光）を用いて波長変換を行っている。

本実施例では、予め定められたビットレートＢの光信号に対して、それに相当する周波数間隔で光サブキャリアを生成するため、波長変換の動作のみで光ＯＦＤＭの直交条件を満足させることが可能となり、その結果、光フィルタリングによるスペクトル整形が不要となる。その結果、実施例１及び実施例２とは異なり、スペクトル整形のための光フィルタを用いることなく、光合波器１４によって合波することで、光ＯＦＤＭ信号に変換することができる。又、従来のＷＤＭ光信号から光ＯＦＤＭ信号への変換に際して、本実施例でも、高周波の電気処理を用いることなく、光ＯＦＤＭ信号の生成が可能となる。

本発明に係る光直交周波数分割多重光信号の生成方法及び生成装置は、高い周波数利用効率を実現する光ファイバ通信に好適なものである。

１１ 光サブキャリア発生器
１４ 光合波器
２０ 光シリアル・パラレル変換器
２２ 波長変換器
２４ 高速波長制御光源
２５ 光分波器
３２ 波長変換器
３５ 高速波長制御光源
３６ 同期型高速波長可変フィルタ
４２ 光分波器
Ｃ１〜Ｃ４ 波長変換器
Ｔ１〜Ｔ４ 帯域通過光フィルタ

Claims (10)

1. 単一の波長の入力光信号を入力するステップと、
   前記入力光信号を２つ以上の波長数の波長からなる光信号に変換すると共に、当該光信号を波長毎に分波するステップと、
   分波した前記光信号のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成するステップと、
   分波した前記光信号の波長毎に、当該光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする他の光信号に波長変換するステップと、
   波長変換した前記他の光信号の波長毎に、当該他の光信号の周波数の帯域幅が前記ビットレートの２倍に相当する周波数となるように、前記帯域幅を制限して当該他の光信号を通過させるステップと、
   前記波長数の透過された前記他の光信号を合波して出力するステップとを有し、
   入力した前記入力光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする光直交周波数分割多重光信号の生成方法。
2. 請求項１に記載の光直交周波数分割多重光信号の生成方法において、
   前記分波するステップは、
   前記入力光信号のビット毎に、当該入力光信号を異なる波長と重畳して、当該波長を中心波長とする光信号に波長変換して、前記波長数の波長からなる光信号に変換するステップと、
   変換した前記光信号を波長毎に分波するステップとを有することを特徴とする光直交周波数分割多重光信号の生成方法。
3. 単一の波長の入力光信号を入力するステップと、
   前記入力光信号のビットレートを２つ以上の波長数で割って他のビットレートを求めると共に、前記他のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成するステップと、
   前記入力光信号のビット毎に、当該入力光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする光信号に波長変換するステップと、
   前記入力光信号のビット毎に、波長変換した前記光信号の周波数の帯域幅が前記他のビットレートの２倍に相当する周波数となるように、前記帯域幅を制限して当該光信号を通過させるステップとを有し、
   入力した前記入力光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする光直交周波数分割多重光信号の生成方法。
4. 請求項３に記載の光直交周波数分割多重光信号の生成方法において、
   前記通過させるステップは、
   前記入力光信号のビット毎に、制限する前記帯域幅の中心波長を前記変換光の波長に同期させて、前記光信号を通過させることを特徴とする光直交周波数分割多重光信号の生成方法。
5. ２つ以上の波長数の波長からなる波長分割多重光信号を入力するステップと、
   前記波長分割多重光信号を波長毎の光信号に分波するステップと、
   分波した前記光信号のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成するステップと、
   分波した前記光信号の波長毎に、当該光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする光信号に波長変換するステップと、
   前記波長数の波長変換した前記光信号を合波して出力するステップとを有し、
   入力した前記波長分割多重光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする光直交周波数分割多重光信号の生成方法。
6. 入力した単一の波長の入力光信号を、２つ以上の波長数の波長からなる光信号に変換すると共に、当該光信号を波長毎に分波する変換器と、
   分波した前記光信号のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成する変換光発生器と、
   分波した前記光信号の波長毎に設けられ、当該波長毎に、当該光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする他の光信号に波長変換する波長変換器と、
   分波した前記光信号の波長毎に設けられ、波長変換した前記他の光信号の波長毎に、当該他の光信号の周波数の帯域幅が前記ビットレートの２倍に相当する周波数となるように、前記帯域幅を制限して当該他の光信号を通過させるフィルタと、
   前記波長数の透過された前記他の光信号を合波して出力する光合波器とを有し、
   入力した前記入力光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする光直交周波数分割多重光信号の生成装置。
7. 請求項６に記載の光直交周波数分割多重光信号の生成装置において、
   前記変換器は、
   前記入力光信号のビット毎に、当該入力光信号を異なる波長と重畳して、当該波長を中心波長とする光信号に波長変換して、前記波長数の波長からなる光信号に変換する他の波長変換器と、
   変換した前記光信号を波長毎に分波する光分波器とを有することを特徴とする光直交周波数分割多重光信号の生成装置。
8. 入力した単一の波長の入力光信号のビットレートを２つ以上の波長数で割って他のビットレートを求めると共に、前記他のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成する変換光発生器と、
   前記入力光信号のビット毎に、当該入力光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする光信号に波長変換する波長変換器と、
   前記入力光信号のビット毎に、波長変換した前記光信号の周波数の帯域幅が前記他のビットレートの２倍に相当する周波数となるように、前記帯域幅を制限して当該光信号を通過させるフィルタとを有し、
   入力した前記入力光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする光直交周波数分割多重光信号の生成装置。
9. 請求項８に記載の光直交周波数分割多重光信号の生成装置において、
   前記フィルタは、
   前記入力光信号のビット毎に、制限する前記帯域幅の中心波長を前記変換光の波長に同期させて、前記光信号を通過させる同期型波長可変フィルタであることを特徴とする光直交周波数分割多重光信号の生成装置。
10. 入力した２つ以上の波長数の波長からなる波長分割多重光信号を、波長毎の光信号に分波する光分波器と、
    分波した前記光信号のビットレートに相当する周波数間隔を有する前記波長数の変換光を生成する変換光発生器と、
    分波した前記光信号の波長毎に設けられ、当該波長毎に、当該光信号を異なる前記変換光と重畳して、当該変換光を中心波長とする光信号に波長変換する波長変換器と、
    前記波長数の波長変換した前記光信号を合波して出力する光合波器とを有し、
    入力した前記波長分割多重光信号から光直交周波数分割多重光信号を生成することを特徴とする光直交周波数分割多重光信号の生成装置。

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