JP2016100808A - 光信号中継装置および通信制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置において、送信する光信号のレベルをより精度良く制御することにより、光通信システムの通信限界距離を延ばすことが可能な光信号中継装置および通信制御方法を提供する。
【解決手段】受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置であって、前記光信号を受けて増幅する半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器に供給する駆動電流の大きさを変更することにより前記半導体光増幅器の利得または出力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記駆動電流と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係、および前記半導体光増幅器が受ける光信号の強度と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係に基づいて、前記駆動電流の大きさを調整する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光信号中継装置および通信制御方法に関し、特に、半導体光増幅器を用いる光信号中継装置および通信制御方法に関する。

近年、インターネットが広く普及しており、利用者は世界各地で運営されているサイトの様々な情報にアクセスし、その情報を入手することが可能である。これに伴って、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）およびＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）等のブロードバンドアクセスが可能な装置も急速に普及してきている。

ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．３ａｈ（登録商標）−２００４（非特許文献１）には、複数のＯＮＵ（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）が光通信回線を共有して局側装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）とのデータ伝送を行なう媒体共有形通信である受動的光ネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）の１つの方式が開示されている。すなわち、ＰＯＮを通過するユーザ情報およびＰＯＮを管理運用するための制御情報を含め、すべての情報がイーサネット（登録商標）フレームの形式で通信されるＥＰＯＮ（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標） ＰＯＮ）と、ＥＰＯＮのアクセス制御プロトコル（ＭＰＣＰ（Ｍｕｌｔｉ−Ｐｏｉｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ））およびＯＡＭ（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ）プロトコルとが規定されている。局側装置とＯＮＵとの間でＭＰＣＰフレームをやり取りすることによって、ＯＮＵの加入、離脱、および上りアクセス多重制御などが行なわれる。また、非特許文献１では、ＭＰＣＰメッセージによる、新規ＯＮＵの登録方法、帯域割り当て要求を示すレポート、および送信指示を示すゲートについて記載されている。

なお、１ギガビット／秒の通信速度を実現するＥＰＯＮであるＧＥ−ＰＯＮの次世代の技術として、ＩＥＥＥ８０２．３ａｖ（登録商標）−２００９として標準化が行なわれた１０Ｇ−ＥＰＯＮすなわち通信速度が１０ギガビット／秒相当のＥＰＯＮにおいても、アクセス制御プロトコルはＭＰＣＰが前提となっている。

光通信システムにおいて用いられる光増幅器を制御する構成の一例として、たとえば、特開２０１０−１６１２６３号公報（特許文献１）には、以下のような構成が開示されている。すなわち、半導体光増幅器は、駆動電流に応じて異なる雑音光パワーを発する。光カプラは、半導体光増幅器の出力光を一部分岐し、検出部に出力する。検出部は、光カプラによって分岐された半導体光増幅器の出力光の光パワーを検出する。制御回路は、検出部で検出された光パワーに基づいて、半導体光増幅器の出力光パワーが、目標の信号光パワーに雑音光パワーを加えたパワーとなるように半導体光増幅器の駆動電流を出力する。

また、光通信システムにおいて、局側装置と光回線終端装置との距離が長くなる場合、光信号の伝送特性を維持するために、光信号の中継装置が設置される場合がある。このような光信号中継装置の一例として、たとえば、特許第４９１９０６７号公報（特許文献２）には、以下のような構成が開示されている。すなわち、光バースト信号の中継をする光バースト信号中継装置であって、上り光バースト信号を電気の中継信号に変換する光／電気変換器と、前記光／電気変換器により変換された中継信号を再生する上り信号再生部と、この光バースト信号中継装置を１つの光回線終端装置として識別させるため、ＰＯＮのプロトコルに準拠したフレームを作成する通信・切替制御部と、エラー情報を監視し、エラー情報が発生すれば、エラー情報パターンを前記通信・切替制御部に出力するエラー情報監視部と、前記光／電気変換器と前記上り信号再生部との間に設置され、前記通信・切替制御部の制御に応じて、前記通信・切替制御部から得られる監視情報信号と前記光／電気変換器から得られる中継信号とを切り替えて、前記上り信号再生部に供給するための第１の切替部とを備える。前記通信・切替制御部は、前記エラー情報監視部から取得されたエラー情報パターンを含む監視情報信号を作成して、光バースト区間の空きスロットに前記監視情報信号を供給する。

ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．３ａｈ（登録商標）−２００４

特開２０１０−１６１２６３号公報 特許第４９１９０６７号公報

光送信器から光信号中継装置までの距離、および光信号中継装置から光受信器までの距離は、光通信システムの設置場所等により異なる。このため、光信号中継装置は、様々な強度の光信号を受信することになる。

そして、光信号中継装置から送信される光信号のレベルに誤差が生じると、光通信システム、具体的には、光信号中継装置から光受信器までの通信限界距離が小さくなってしまう。

ここで、光信号中継装置における処理の一例として、光送信器から受信した光信号を、電気信号に変換することなく光増幅器を用いて増幅し、光受信器へ送信する構成が考えられる。

たとえば特許文献１に記載の技術を光信号中継装置に適用した場合、半導体光増幅器の出力光パワーが、目標の信号光パワーに雑音光パワーを加えたパワーとなるように半導体光増幅器の駆動電流が制御される。このような特許文献１に記載の技術を超えて、光信号中継装置から送信される光信号のレベルをより精度良く制御し、光通信システムの通信限界距離を延ばす技術が望まれる。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置において、送信する光信号のレベルをより精度良く制御することにより、光通信システムの通信限界距離を延ばすことが可能な光信号中継装置および通信制御方法を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる光信号中継装置は、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置であって、前記光信号を受けて増幅する半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器に供給する駆動電流の大きさを変更することにより前記半導体光増幅器の利得または出力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記駆動電流と前記半導体光増幅器のＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の強度との関係、および前記半導体光増幅器が受ける光信号の強度と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係に基づいて、前記駆動電流の大きさを調整する。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる通信制御方法は、半導体光増幅器を含み、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置を備える光通信システムにおける通信制御方法であって、前記半導体光増幅器の出力光の強度を取得するステップと、取得した前記強度に基づいて、前記半導体光増幅器に供給する駆動電流の大きさを変更することにより前記半導体光増幅器の利得または出力を制御するステップとを含み、前記半導体光増幅器の利得または出力を制御するステップにおいては、前記駆動電流と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係、および前記半導体光増幅器が受ける光信号の強度と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係に基づいて、前記駆動電流の大きさを調整する。

本発明は、このような特徴的な処理部を備える光信号中継装置として実現できるだけでなく、かかる特徴的な処理のステップをコンピュータに実行させるためのプログラムとして実現することができる。また、本発明は、光信号中継装置の一部または全部を実現する半導体集積回路として実現したり、光信号中継装置を含むシステムとして実現したりすることができる。

本発明によれば、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置において、送信する光信号のレベルをより精度良く制御することにより、光通信システムの通信限界距離を延ばすことができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る光通信システムの構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置の構成を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置における下り信号中継部の構成を示す図である。 図４は、半導体光増幅器における駆動電流とＡＳＥのレベルとの関係の一例を示す図である。 図５は、半導体光増幅器における入力光信号の強度と利得との関係の一例を示す図である。 図６は、半導体光増幅器における出力光のスペクトラムの一例を示す図である。 図７は、半導体光増幅器における入力光信号の強度とＡＳＥのレベルとの関係の一例を示す図である。 図８は、光信号中継装置における入力光信号のレベルと出力光信号のレベルの測定結果の誤差との関係の一例を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置が半導体光増幅器の制御を行なう際の動作手順の一例を定めたフローチャートである。

最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

（１）本発明の実施の形態に係る光信号中継装置は、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置であって、前記光信号を受けて増幅する半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器に供給する駆動電流の大きさを変更することにより前記半導体光増幅器の利得または出力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記駆動電流と前記半導体光増幅器のＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の強度との関係、および前記半導体光増幅器が受ける光信号の強度と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係に基づいて、前記駆動電流の大きさを調整する。

このような構成により、半導体光増幅器において、駆動電流の変動によるＡＳＥのレベルの変動を考慮して駆動電流の大きさを適切に調整できることに加えて、さらに、入力光信号のレベルの変動によるＡＳＥのレベルの変動を考慮して駆動電流の大きさを適切に調整することができる。これにより、利得一定制御または出力一定制御等の半導体光増幅器の出力光信号のレベル制御を精度良く行なうことが可能となる。したがって、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置では、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置において、送信する光信号のレベルをより精度良く制御することにより、光通信システムの通信限界距離を延ばすことができる。

（２）好ましくは、前記光信号中継装置は、所定範囲内の波長を有する光信号を受信し、受信した前記光信号の波長成分とともに前記所定範囲にわたる波長の前記ＡＳＥを送信する。

このような構成により、特に、広範な波長範囲の光信号を伝送する必要のある光信号中継装置において、半導体光増幅器の出力光信号のレベル制御を精度良く行い、光通信システムの通信限界距離を延ばすことができる。

（３）好ましくは、前記制御部は、前記駆動電流に対応する前記ＡＳＥの強度を、前記半導体光増幅器が受ける光信号の強度に基づいて補正し、補正した前記ＡＳＥの強度に基づいて前記駆動電流の大きさを調整する。

このような構成により、半導体光増幅器において、駆動電流の変動によるＡＳＥのレベルの変動に関わらず、たとえば半導体光増幅器の出力光信号のレベルのより正確な値を取得しながら、さらに、入力光信号のレベルの変動によるＡＳＥのレベル変動に応じて、取得した半導体光増幅器の出力光信号のレベルの値を適切に補正することができる。

（４）好ましくは、前記半導体光増幅器が受けるべき光信号の強度の範囲は、前記半導体光増幅器の利得が飽和する強度を含む。

このような構成により、特に、入力光信号のレベルについて広範なダイナミックレンジが必要となる光信号中継装置において、半導体光増幅器の出力光信号のレベル制御を精度良く行い、光通信システムの通信限界距離を延ばすことができる。

（５）本発明の実施の形態に係る通信制御方法は、半導体光増幅器を含み、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置を備える光通信システムにおける通信制御方法であって、前記半導体光増幅器の出力光の強度を取得するステップと、取得した前記強度に基づいて、前記半導体光増幅器に供給する駆動電流の大きさを変更することにより前記半導体光増幅器の利得または出力を制御するステップとを含み、前記半導体光増幅器の利得または出力を制御するステップにおいては、前記駆動電流と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係、および前記半導体光増幅器が受ける光信号の強度と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係に基づいて、前記駆動電流の大きさを調整する。

これにより、半導体光増幅器において、駆動電流の変動によるＡＳＥのレベルの変動を考慮して駆動電流の大きさを適切に調整できることに加えて、さらに、入力光信号のレベルの変動によるＡＳＥのレベルの変動を考慮して駆動電流の大きさを適切に調整することができる。これにより、利得一定制御または出力一定制御等の半導体光増幅器の出力光信号のレベル制御を精度良く行なうことが可能となる。したがって、本発明の実施の形態に係る通信制御方法では、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置において、送信する光信号のレベルをより精度良く制御することにより、光通信システムの通信限界距離を延ばすことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

［構成および基本動作］
図１は、本発明の実施の形態に係る光通信システムの構成を示す図である。

図１を参照して、光通信システム３０１は、たとえばＧＥ−ＰＯＮであり、上位ネットワークに接続された局側装置２０１と、光信号中継装置１０１と、１または複数のＯＮＵ２０２と、光カプラ２１１，２１２とを備える。なお、光通信システム３０１は、１０Ｇ−ＥＰＯＮであってもよいし、他の種類の光通信システムであってもよい。

局側装置２０１は、ＰＯＮの上位側に位置する光終端装置であり、電話局および変電所等に設置され、複数のＯＮＵ２０２と通信を行なう。また、ＯＮＵ２０２は、ＰＯＮの下位側に位置する光終端装置であり、加入者側の建物、および屋外の電柱上等に設置され、１つの局側装置２０１と通信を行なう。

光通信システム３０１において、各ＯＮＵ２０２は、光カプラ２１１から分岐された複数の光ファイバに接続されている。光カプラ２１１および光信号中継装置１０１は、１つの光ファイバを介して接続されている。光カプラ２１２および光信号中継装置１０１は、１つの光ファイバを介して接続されている。光カプラ２１２から分岐された光ファイバには、１または複数のＯＮＵ２０２も接続されている。また、光カプラ２１２および局側装置２０１は、１つの光ファイバを介して接続されている。

このように、光通信システム３０１では、複数の光カプラを用いる構成により、局側装置２０１または光信号中継装置１０１と任意の数のＯＮＵ２０２とを接続することができる。

各ＯＮＵ２０２と局側装置２０１とは、光ファイバおよび光カプラを介して、また、ＯＮＵ２０２の接続位置に応じて光信号中継装置１０１を介して接続され、互いに光信号を送受信する。光通信システム３０１では、各ＯＮＵ２０２は、共通の通信回線すなわちＰＯＮ回線を介して上り光信号を局側装置２０１へ送信し、また、各ＯＮＵ２０２から局側装置２０１への光信号が時分割多重される。また、光通信システム３０１では、局側装置２０１から各ＯＮＵ２０２へ連続的な光信号が送信される。

局側装置２０１は、自己とＯＮＵ２０２との間に接続される光信号中継装置１０１を介してＯＮＵ２０２との間で光信号を送受信可能である。

光信号中継装置１０１は、局側装置２０１から送信された光信号のＯＮＵ２０２への中継、およびＯＮＵ２０２から送信された光信号の局側装置２０１への中継を行なう。

以下、ＯＮＵから上位ネットワークへの方向を上り方向と称し、上位ネットワークからＯＮＵへの方向を下り方向と称する。

図２は、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置の構成を示す図である。

図２を参照して、光信号中継装置１０１は、電気／光変換器１１と、下り信号中継部１２と、光／電気変換器１３と、上り信号再生部１４とを備える。

光／電気変換器１３は、ＯＮＵ２０２から送信される上り光信号を受信して電気信号に変換し、上り信号再生部１４へ出力する。

上り信号再生部１４は、たとえば、光／電気変換器１３から受けた電気信号からクロックを抽出し、抽出したクロックを用いて当該電気信号の波形整形を行なうとともに当該電気信号を電気／光変換器１１へ出力する。

電気／光変換器１１は、上り信号再生部１４から受けた電気信号を上り光信号に変換して局側装置２０１へ送信する。

下り信号中継部１２は、局側装置２０１から送信される下り光信号を受信し、受信した下り光信号を増幅してＯＮＵ２０２へ送信する。上り光信号および下り光信号は、送信すべきデータの論理値に応じたレベルを有する。また、上り光信号および下り光信号のデューティ比は、たとえば５０％である。

図３は、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置における下り信号中継部の構成を示す図である。

図３を参照して、下り信号中継部１２は、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）２１と、光カプラ２２，２３と、電流供給部２４と、入力検知部２５と、制御部２６と、出力検知部２７と、記憶部２８とを含む。

光カプラ２２は、局側装置２０１から受信した下り光信号を分岐して半導体光増幅器２１および入力検知部２５へ出力する。

半導体光増幅器２１は、光カプラ２２から受けた下り光信号を増幅して光カプラ２３へ出力する。半導体光増幅器２１の利得は、電流供給部２４から供給される駆動電流に応じて変化する。具体的には、駆動電流が大きくなると半導体光増幅器２１の利得が大きくなり、駆動電流が小さくなると半導体光増幅器２１の利得が小さくなる。

光カプラ２３は、半導体光増幅器２１から受けた下り光信号を分岐してＯＮＵ２０２および出力検知部２７へ出力する。

入力検知部２５は、フォトダイオード等の受光素子３１と、図示しない電流電圧変換回路およびＡ／Ｄコンバータとを含む。入力検知部２５において、受光素子３１は、光カプラ２２から受けた下り光信号の強度に応じた大きさの電流、すなわち半導体光増幅器２１の入力光の強度に応じた大きさの電流を出力する。電流電圧変換回路は、受光素子３１の出力電流を電圧に変換して出力する。Ａ／Ｄコンバータは、電流電圧変換回路から受けた電圧のレベルを示すデジタル信号を制御部２６へ出力する。

出力検知部２７は、フォトダイオード等の受光素子３２と、図示しない電流電圧変換回路およびＡ／Ｄコンバータとを含む。出力検知部２７において、受光素子３２は、光カプラ２３から受けた下り光信号の強度に応じた大きさの電流、すなわち半導体光増幅器２１の出力光の強度に応じた大きさの電流を出力する。電流電圧変換回路は、受光素子３２の出力電流を電圧に変換して出力する。Ａ／Ｄコンバータは、電流電圧変換回路から受けた電圧のレベルを示すデジタル信号を制御部２６へ出力する。

制御部２６は、半導体光増幅器２１に供給する駆動電流の大きさを変更することにより半導体光増幅器２１の利得または出力を制御する。

具体的には、制御部２６は、たとえば、入力検知部２５から受けたデジタル信号および出力検知部２７から受けたデジタル信号の少なくともいずれか一方に基づいて駆動電流の大きさを決定し、決定した駆動電流の大きさを示す制御信号を電流供給部２４へ出力する。

電流供給部２４は、駆動電流を半導体光増幅器２１に供給し、制御部２６から受けた制御信号に従って、半導体光増幅器２１に供給する駆動電流の大きさを変更する。

制御部２６は、半導体光増幅器２１の利得が一定になるように駆動電流の大きさを調整する。あるいは、制御部２６は、半導体光増幅器２１の出力する光信号の強度が目標値になるように駆動電流の大きさを調整する。

より詳細には、たとえば、制御部２６は、入力検知部２５から受けたデジタル信号および出力検知部２７から受けたデジタル信号から現在の半導体光増幅器２１の利得、具体的には、半導体光増幅器２１の入力光信号のレベルと半導体光増幅器２１の出力光信号のレベルとの比を算出する。そして、制御部２６は、半導体光増幅器２１の利得が一定となるように駆動電流の大きさを変更する利得一定制御を行なう。

あるいは、たとえば、制御部２６は、出力検知部２７から受けたデジタル信号から半導体光増幅器２１の出力光信号のレベルを算出する。そして、制御部２６は、半導体光増幅器２１の出力光信号のレベルが目標値となるように駆動電流の大きさを変更する出力一定制御を行なう。

ここで、半導体光増幅器およびエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）は、光信号を受けていない状態でも自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を発生する。

このため、出力検知部２７の検知する信号には、伝送すべき光信号に加えて、半導体光増幅器２１のＡＳＥが含まれる。

半導体光増幅器２１における、ＡＳＥのレベルをＰａｓｅとし、ＡＳＥおよび雑音を含まない光信号の利得をＧとし、また、半導体光増幅器２１の入力光のレベルをＰｉｎとすると、半導体光増幅器２１の出力光のレベルＰｏｕｔは、以下の式（１）で表される。
Ｐｏｕｔ＝Ｇ×Ｐｉｎ＋Ｐａｓｅ ・・・（１）

また、ＡＳＥのレベルＰａｓｅは、以下の式（２）で表される。
Ｐａｓｅ＝（Ｇ−１）×ｎｓｐ×ｈ×ω ・・・（２）

式（２）において、ｎｓｐは反転分布パラメータであり、ｈはプランク定数であり、ωは角周波数である。

［課題］
光信号中継装置１０１では、光通信システムへの適用の柔軟性を高める目的で、広い帯域の光信号を伝送することが要求される。

このため、光信号中継装置１０１は、所定範囲内たとえば１４８０ｎｍから１５００ｎｍまでの範囲内の波長を有する下り光信号を受信し、受信した下り光信号の波長成分とともに当該所定範囲にわたる波長のＡＳＥを送信する。

すなわち、受信する下り光信号の帯域外のＡＳＥが下り光信号とともに光信号中継装置１０１から後段の装置へ送信されることになる。

図４は、半導体光増幅器における駆動電流とＡＳＥのレベルとの関係の一例を示す図である。図４において、横軸は、半導体光増幅器の駆動電流を示し、単位は［ｍＡ］である。縦軸は、半導体光増幅器のＡＳＥのレベルを示し、単位は［ｍＷ］である。図４は、半導体光増幅器が光信号を受けていない状態における駆動電流とＡＳＥのレベルとの関係を示している。

図４を参照して、半導体光増幅器は、駆動電流が大きくなるにつれてＡＳＥのレベルが大きくなる特性を有する。

このため、制御部２６は、半導体光増幅器２１への駆動電流と半導体光増幅器２１のＡＳＥの強度との関係に基づいて、当該駆動電流の大きさを調整する。

より詳細には、記憶部２８は、たとえば図４に示すような特性、すなわち駆動電流とＡＳＥのレベルとの対応関係を示すＡＳＥテーブル１を記憶している。

制御部２６は、記憶部２８におけるＡＳＥテーブル１を参照することにより、半導体光増幅器２１に供給されている駆動電流に対応するＡＳＥのレベルＰａｓｅ＿Ｔを取得する。そして、制御部２６は、半導体光増幅器２１の出力光のレベルＰｏｕｔから、取得したＡＳＥのレベルＰａｓｅ＿Ｔを差し引いた値を半導体光増幅器２１の出力光信号のレベルＬ１として用いて、利得一定制御または出力一定制御を行なう。

半導体光増幅器２１の出力光信号のレベルＬ１は、以下の式（３）で表される。
Ｌ１＝Ｇ×Ｐｉｎ＝Ｐｏｕｔ−Ｐａｓｅ＿Ｔ ・・・（３）

図４に示すような特性、すなわち半導体光増幅器が光信号を受けていない状態における駆動電流とＡＳＥのレベルとの特性を使用する構成により、出力光信号のレベルＬ１=０となり、出力光のレベルＰｏｕｔ=ＡＳＥのレベルＰａｓｅ＿Ｔとなるため、演算処理を簡素化することができる。

図５は、半導体光増幅器における入力光信号の強度と利得との関係の一例を示す図である。図５において、横軸は、半導体光増幅器の時間平均入力レベルすなわち所定時間あたりの入力光信号の平均レベルを示し、単位は［ｄＢｍ］である。縦軸は、半導体光増幅器の利得を示し、単位は［ｄＢ］である。グラフＧ１〜Ｇ４は、半導体光増幅器に供給される駆動電流がそれぞれ３９９ｍＡ、２９９ｍＡ、１９９ｍＡおよび９９ｍＡの場合を示す。

図５を参照して、半導体光増幅器は、駆動電流が大きくなるにつれて利得が大きくなる特性を有する。

光信号中継装置の受信する光信号の強度が大きい場合、半導体光増幅器の出力が飽和する。すなわち、半導体光増幅器の利得が飽和する。ここでは、飽和領域とは、非飽和領域における利得から０．２ｄＢ以上利得が低下する時間平均入力レベルの領域であると定義する。この例では、半導体光増幅器に供給される駆動電流が１９９ｍＡの場合、概ね、時間平均入力レベルが−２０ｄＢｍ未満の領域が非飽和領域であり、−２０ｄＢｍ以上の領域が飽和領域である。

光信号中継装置１０１では、半導体光増幅器２１が受けるべき光信号の強度の範囲は、半導体光増幅器２１の利得が飽和する強度を含む。

半導体光増幅器の利得が飽和すると、光信号中継装置から送信される光信号のレベルに誤差が生じるため、光通信システム、具体的には光信号中継装置から光受信器までの通信限界距離が小さくなってしまう。

上記のように、光信号中継装置の受信する光信号の強度が大きくなると、半導体光増幅器の利得が減少する。

ここで、式（２）より、半導体光増幅器の利得Ｇが減少すると、ＡＳＥのレベルＰａｓｅが減少する。すなわち、半導体光増幅器の受ける光信号のレベルが大きくなると、ＡＳＥのレベルＰａｓｅが減少する。

図６は、半導体光増幅器における出力光のスペクトラムの一例を示す図である。図６において、横軸は、半導体光増幅器の出力光の波長を示し、単位は［ｎｍ］である。縦軸は、半導体光増幅器の出力光のレベルを示し、単位は［ｄＢｍ］である。グラフＧ１１〜Ｇ１４は、半導体光増幅器の入力光信号のレベルがそれぞれ−２０ｄＢｍ、−１５ｄＢｍ、−７ｄＢｍおよび−２ｄＢｍの場合を示す。図６は、半導体光増幅器に供給する駆動電流の値を１８０ｍＡと一定にした状態における出力光のスペクトラムを示している。

図６を参照して、半導体光増幅器では、駆動電流を一定にした状態においても、入力光信号のレベルが増加するとＡＳＥのレベルが減少することが分かる。

具体的には、入力光信号の波長範囲外における半導体光増幅器の出力光の波長成分は、ＡＳＥである。半導体光増幅器の入力光信号のレベルが−２０ｄＢｍおよび−１５ｄＢｍの比較的低い状態では、ＡＳＥのレベルはほぼ一定である（グラフＧ１１およびＧ１２）。一方、半導体光増幅器の入力光信号のレベルが−７ｄＢｍおよび−２ｄＢｍと高くなると、ＡＳＥのレベルが減少する（グラフＧ１３およびＧ１４）。

このように、半導体光増幅器では、入力光信号のレベルが増加すると、出力光信号のレベルは利得飽和により増加しにくくなるとともに、ＡＳＥのレベルは減少する。

前述のように、光送信器から光信号中継装置までの距離、および光信号中継装置から光受信器までの距離は、光通信システムの設置場所等により異なる場合が多い。このため、光信号中継装置は、様々な強度の光信号を受信することになる。

入力光信号のレベルについて広範なダイナミックレンジが光信号中継装置において必要となる場合、上記のようなＡＳＥのレベル変動により、半導体光増幅器の出力光信号のレベルの算出に誤差が生じ、利得一定制御または出力一定制御等の出力光信号のレベル制御を精度良く行なうことが困難となり、光通信システムの通信限界距離が小さくなってしまう。このため、光信号中継装置において、入力光信号のレベルについて広範なダイナミックレンジを確保することは困難である。

本願発明者らは、上記のような半導体光増幅器の特性に着目し、このような問題点を解決する方法を発見した。すなわち、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置では、以下のような構成および動作により、このような問題点を解決する。

図７は、半導体光増幅器における入力光信号の強度とＡＳＥのレベルとの関係の一例を示す図である。図７において、横軸は、半導体光増幅器が受ける光信号の時間平均入力レベルすなわち所定時間あたりの入力光信号の平均レベルを示し、単位は［ｄＢｍ］である。左側の縦軸は、半導体光増幅器の波長幅１．０ｎｍあたりのＡＳＥのレベルを示し、単位は［ｄＢｍ］である。右側の縦軸は、半導体光増幅器が受ける光信号の時間平均入力レベルに対応するＡＳＥのレベルの補正係数Ｐａｓｅ＿ｄを示す。グラフＧ２１は、半導体光増幅器が受ける光信号の時間平均入力レベルを示し、グラフＧ２２は、補正係数Ｐａｓｅ＿ｄを示す。

図７を参照して、グラフＧ２１に示すように、半導体光増幅器は、入力光信号のレベルが大きくなるにつれてＡＳＥのレベルが小さくなる特性を有する。

制御部２６は、半導体光増幅器２１への駆動電流と半導体光増幅器２１のＡＳＥの強度との関係、および半導体光増幅器２１が受ける光信号の強度と半導体光増幅器２１のＡＳＥの強度との関係に基づいて、出力光信号のレベルを算出し、当該駆動電流の大きさを調整する。

たとえば、制御部２６は、半導体光増幅器２１への駆動電流に対応する半導体光増幅器２１のＡＳＥの強度を、半導体光増幅器２１が受ける光信号の強度に基づいて補正し、補正したＡＳＥの強度に基づいて出力光信号のレベルを算出し、当該駆動電流の大きさを調整する。たとえば、制御部２６は、半導体光増幅器２１が受ける光信号の強度が大きい場合に当該対応のＡＳＥの強度を小さい値に補正する。

より詳細には、記憶部２８は、たとえばグラフＧ２１に示すような特性に基づいて求められた補正係数Ｐａｓｅ＿ｄ、すなわち入力光信号のレベルと補正係数Ｐａｓｅ＿ｄとの対応関係を示すＡＳＥテーブル２を記憶している。

具体的には、グラフＧ２２に示すように、補正係数Ｐａｓｅ＿ｄは、たとえば、入力光信号のレベルが−３０ｄＢｍの場合におけるＡＳＥのレベルに対する、入力光信号の各レベルにおけるＡＳＥのレベルの比である。すなわち、入力光信号のレベルが−３０ｄＢｍの場合における補正係数Ｐａｓｅ＿ｄは１であり、入力光信号のレベルが−３０ｄＢｍより大きくなるにつれて補正係数Ｐａｓｅ＿ｄは１から減少していく。

制御部２６は、記憶部２８におけるＡＳＥテーブル２を参照することにより、半導体光増幅器２１が受ける光信号のレベルに対応する補正係数Ｐａｓｅ＿ｄを取得する。そして、制御部２６は、前述のようにＡＳＥテーブル１から取得したＡＳＥのレベルＰａｓｅ＿Ｔに、ＡＳＥテーブル２から取得した補正係数Ｐａｓｅ＿ｄを乗じた値を半導体光増幅器２１の出力光信号のレベルＬ２として用いて、利得一定制御または出力一定制御を行なう。

半導体光増幅器２１の出力光信号のレベルＬ２は、以下の式（４）で表される。
Ｌ２＝Ｇ×Ｐｉｎ＝Ｐｏｕｔ−Ｐａｓｅ＿Ｔ×Ｐａｓｅ＿ｄ ・・・（４）

式（４）は、半導体光増幅器２１における利得飽和によるＡＳＥのレベルの減少分を補正するための式と考えることができる。すなわち、光信号中継装置１０１では、半導体光増幅器２１への駆動電流に基づいて得られたＡＳＥのレベルを、半導体光増幅器２１における利得の減少分補正する。

図８は、光信号中継装置における入力光信号のレベルと出力光信号のレベルの測定結果の誤差との関係の一例を示す図である。図８において、横軸は、光信号中継装置における半導体光増幅器が受ける光信号の時間平均入力レベルすなわち所定時間あたりの入力光信号の平均レベルを示し、単位は［ｄＢｍ］である。縦軸は、光信号中継装置における半導体光増幅器の出力光信号のレベルの目標値からの誤差を示し、単位は［ｄＢ］である。

グラフＧ３１は、式（３）を用いて出力光信号のレベル制御を行なった場合、すなわち駆動電流とＡＳＥの強度との対応関係のみを考慮した場合の誤差であり、グラフＧ３２は、式（４）を用いて出力光信号のレベル制御を行なった場合、すなわち駆動電流とＡＳＥの強度との対応関係に加えて、入力光信号とＡＳＥの強度との対応関係も考慮した場合の誤差である。

図８を参照して、グラフＧ３１より、式（３）を用いて出力光信号のレベル制御を行なった場合には、入力光信号のレベルが−１７ｄＢｍ程度から大きくなるにつれて誤差が増加し、入力光信号のレベルが０ｄＢｍの場合において誤差が約０．６８ｄＢまで上昇している。

一方、式（４）を用いて出力光信号のレベル制御を行なった場合には、グラフＧ３２より、入力光信号のレベルが増加しても誤差は約０．２５ｄＢ以内に収まっている。すなわち、入力光信号のレベルについて広範なダイナミックレンジが光信号中継装置１０１において必要となる場合でも、ＡＳＥのレベル変動に関わらず、利得一定制御または出力一定制御等の出力光信号のレベル制御を精度良く行なうことが可能となる。

［動作］
次に、本発明の実施の形態に係る光通信システムにおける光信号中継装置の動作について説明する。

光通信システム３０１における各装置は、コンピュータを備え、当該コンピュータにおけるＣＰＵ等の演算処理部は、以下のフローチャートの各ステップの一部または全部を含むプログラムを図示しないメモリから読み出して実行する。これら複数の装置のプログラムは、それぞれ、外部からインストールすることができる。これら複数の装置のプログラムは、それぞれ、記録媒体に格納された状態で流通する。

図９は、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置が半導体光増幅器の制御を行なう際の動作手順の一例を定めたフローチャートである。

具体的には、図９を参照して、まず、制御部２６は、電流供給部２４から半導体光増幅器２１に供給されている駆動電流の値を取得する（ステップＳ１）。

次に、制御部２６は、出力検知部２７から受けたデジタル信号に基づいて半導体光増幅器２１の出力光のレベルＰｏｕｔを取得する（ステップＳ２）。
次に、制御部２６は、ＡＳＥテーブル１を参照することにより、取得した駆動電流値に対応するＡＳＥのレベルＰａｓｅ＿Ｔを取得する（ステップＳ３）。

次に、制御部２６は、入力検知部２５から受けたデジタル信号に基づいて半導体光増幅器２１の入力光信号のレベルを取得する（ステップＳ４）。

次に、制御部２６は、ＡＳＥテーブル２を参照することにより、取得した入力光信号のレベルに対応する補正係数Ｐａｓｅ＿ｄを取得する（ステップＳ５）。

次に、制御部２６は、式（４）に従い、補正係数Ｐａｓｅ＿ｄによってＡＳＥのレベルＰａｓｅ＿Ｔを補正し、補正後のＡＳＥのレベル、およびレベルＰｏｕｔを用いて、半導体光増幅器２１の出力光信号のレベルＬ２を算出する（ステップＳ６）。

次に、制御部２６は、算出したレベルＬ２が目標の信号光パワーの範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ７）。そして、制御部２６は、算出したレベルＬ２が目標の信号光パワーでない場合には（ステップＳ７でＮＯ）、目標の信号光パワーに対する差分に基づいて駆動電流を設定する（ステップＳ８）。

制御部２６は、電流供給部２４から半導体光増幅器２１に供給されている駆動電流の値を所定周期で取得する（ステップＳ１）ことにより、図９に示す動作を繰り返す。

なお、駆動電流の値、出力光のレベルおよび入力光信号のレベルの取得（ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４）は、図９に示す順番に限らず、レベルＬ２の算出（ステップＳ６）の前であれば、他の順番であってもよいし、並行して行われてもよい。

また、半導体光増幅器２１の入力光信号の強度が、半導体光増幅器２１の利得の飽和する強度である状態において、半導体光増幅器２１の出力一定制御を行なう場合、入力光信号のレベルの変動によるＡＳＥのレベルの変動を、駆動電流とＡＳＥのレベルとの対応関係を示すＡＳＥテーブル１にあらかじめ加味したテーブルを用いてもよい。これにより、半導体光増幅器２１の入力光信号のレベルの取得の有無に関わらず、半導体光増幅器２１の出力一定制御を精度良く行なうことが可能となる。

ところで、たとえば特許文献１に記載の技術を光信号中継装置に適用した場合、半導体光増幅器の出力光パワーが、目標の信号光パワーに雑音光パワーを加えたパワーとなるように半導体光増幅器の駆動電流が制御される。このような特許文献１に記載の技術を超えて、光信号中継装置から送信される光信号のレベルをより精度良く制御し、光通信システムの通信限界距離を延ばす技術が望まれる。

そこで、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置では、半導体光増幅器２１は、光信号を受けて増幅する。制御部２６は、半導体光増幅器２１に供給する駆動電流の大きさを変更することにより半導体光増幅器２１の利得または出力を制御する。そして、制御部２６は、半導体光増幅器２１への駆動電流と半導体光増幅器２１のＡＳＥの強度との関係、および半導体光増幅器２１が受ける光信号の強度と半導体光増幅器２１のＡＳＥの強度との関係に基づいて、当該駆動電流の大きさを調整する。

このような構成により、半導体光増幅器２１において、駆動電流の変動によるＡＳＥのレベルの変動を考慮して駆動電流の大きさを適切に調整できることに加えて、さらに、入力光信号のレベルの変動によるＡＳＥのレベルの変動を考慮して駆動電流の大きさを適切に調整することができる。これにより、利得一定制御または出力一定制御等の半導体光増幅器２１の出力光信号のレベル制御を精度良く行なうことが可能となる。

したがって、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置では、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置において、送信する光信号のレベルをより精度良く制御することにより、光通信システムの通信限界距離を延ばすことができる。

また、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置は、所定範囲内の波長を有する光信号を受信し、受信した光信号の波長成分とともに当該所定範囲にわたる波長のＡＳＥを送信する。

このような構成により、特に、広範な波長範囲の光信号を伝送する必要のある光信号中継装置１０１において、半導体光増幅器２１の出力光信号のレベル制御を精度良く行い、光通信システムの通信限界距離を延ばすことができる。

また、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置では、制御部２６は、半導体光増幅器２１への駆動電流に対応する半導体光増幅器２１のＡＳＥの強度を、半導体光増幅器２１が受ける光信号の強度に基づいて補正し、補正したＡＳＥの強度に基づいて当該駆動電流の大きさを調整する。

このような構成により、半導体光増幅器２１において、駆動電流の変動によるＡＳＥのレベルの変動に関わらず、たとえば半導体光増幅器２１の出力光信号のレベルのより正確な値を取得しながら、さらに、入力光信号のレベルの変動によるＡＳＥのレベル変動に応じて、取得した半導体光増幅器２１の出力光信号のレベルの値を適切に補正することができる。

また、本発明の実施の形態に係る光信号中継装置では、半導体光増幅器２１が受けるべき光信号の強度の範囲は、半導体光増幅器２１の利得が飽和する強度を含む。

このような構成により、特に、入力光信号のレベルについて広範なダイナミックレンジが必要となる光信号中継装置１０１において、半導体光増幅器２１の出力光信号のレベル制御を精度良く行い、光通信システムの通信限界距離を延ばすことができる。

また、本発明の実施の形態に係る通信制御方法では、半導体光増幅器２１の利得または出力を制御する際、まず、半導体光増幅器２１の出力光の強度を取得する。次に、半導体光増幅器２１への駆動電流と半導体光増幅器２１のＡＳＥの強度との関係、および半導体光増幅器２１が受ける光信号の強度と半導体光増幅器２１のＡＳＥの強度との関係に基づいて、出力光信号のレベルを算出し、当該駆動電流の大きさを調整する。すなわち、半導体光増幅器２１に供給する駆動電流の大きさを変更することにより半導体光増幅器２１の利得または出力を制御する。

これにより、半導体光増幅器２１において、駆動電流の変動によるＡＳＥのレベルの変動を考慮して駆動電流の大きさを適切に調整できることに加えて、さらに、入力光信号のレベルの変動によるＡＳＥのレベルの変動を考慮して駆動電流の大きさを適切に調整することができる。これにより、利得一定制御または出力一定制御等の半導体光増幅器２１の出力光信号のレベル制御を精度良く行なうことが可能となる。

したがって、本発明の実施の形態に係る通信制御方法では、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置において、送信する光信号のレベルをより精度良く制御することにより、光通信システムの通信限界距離を延ばすことができる。

なお、本発明の実施の形態に係る光通信システムでは、光信号中継装置１０１が制御部２６および記憶部２８を備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。光通信システム３０１における光信号中継装置１０１以外の他の装置が制御部２６および記憶部２８を備え、半導体光増幅器２１の入力光および出力光の監視、利得一定制御または出力一定制御、ならびに半導体光増幅器２１への駆動電流の制御を行なう構成であってもよい。

また、本発明の実施の形態に係る光通信システムでは、下り方向において、半導体光増幅器の入力光および出力光の監視、利得一定制御または出力一定制御、ならびに半導体光増幅器への駆動電流の制御を行なう構成であるとしたが、これに限定するものではなく、上り方向において、下り方向と同様に、半導体光増幅器の入力光および出力光の監視、利得一定制御または出力一定制御、ならびに半導体光増幅器への駆動電流の制御を行なう構成とすることも可能である。

上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。

［付記１］
受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置であって、
前記光信号を受けて増幅する半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器に供給する駆動電流の大きさを変更することにより前記半導体光増幅器の利得または出力を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記駆動電流と前記半導体光増幅器のＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の強度との関係、および前記半導体光増幅器が受ける光信号の強度と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係に基づいて、前記駆動電流の大きさを調整し、
前記光信号中継装置はＰＯＮにおいて用いられ、
前記光信号は、局側装置から宅側装置へ送信される下り光信号である、光信号中継装置。

１１ 電気／光変換器
１２ 下り信号中継部
１３ 光／電気変換器
１４ 上り信号再生部
２１ 半導体光増幅器
２２，２３ 光カプラ
２４ 電流供給部
２５ 入力検知部
２６ 制御部
２７ 出力検知部
２８ 記憶部
１０１ 光信号中継装置
２０１ 局側装置
２０２ ＯＮＵ
２１１，２１２ 光カプラ
３０１ 光通信システム

Claims (5)

1. 受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置であって、
   前記光信号を受けて増幅する半導体光増幅器と、
   前記半導体光増幅器に供給する駆動電流の大きさを変更することにより前記半導体光増幅器の利得または出力を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記駆動電流と前記半導体光増幅器のＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の強度との関係、および前記半導体光増幅器が受ける光信号の強度と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係に基づいて、前記駆動電流の大きさを調整する、光信号中継装置。
2. 前記光信号中継装置は、所定範囲内の波長を有する光信号を受信し、受信した前記光信号の波長成分とともに前記所定範囲にわたる波長の前記ＡＳＥを送信する、請求項１に記載の光信号中継装置。
3. 前記制御部は、前記駆動電流に対応する前記ＡＳＥの強度を、前記半導体光増幅器が受ける光信号の強度に基づいて補正し、補正した前記ＡＳＥの強度に基づいて前記駆動電流の大きさを調整する、請求項１または請求項２に記載の光信号中継装置。
4. 前記半導体光増幅器が受けるべき光信号の強度の範囲は、前記半導体光増幅器の利得が飽和する強度を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光信号中継装置。
5. 半導体光増幅器を含み、受信した光信号を増幅して送信する光信号中継装置を備える光通信システムにおける通信制御方法であって、
   前記半導体光増幅器の出力光の強度を取得するステップと、
   取得した前記強度に基づいて、前記半導体光増幅器に供給する駆動電流の大きさを変更することにより前記半導体光増幅器の利得または出力を制御するステップとを含み、
   前記半導体光増幅器の利得または出力を制御するステップにおいては、前記駆動電流と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係、および前記半導体光増幅器が受ける光信号の強度と前記半導体光増幅器のＡＳＥの強度との関係に基づいて、前記駆動電流の大きさを調整する、通信制御方法。

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