JP2542426B2

JP2542426B2 - 光通信方式

Info

Publication number: JP2542426B2
Application number: JP63224592A
Authority: JP
Inventors: 潔野須; 弘鳥羽; 一弘織田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1996-10-09
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: JPH0273735A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、光周波数分割多重（光FDM）技術を使用し
た光スター形通信方式の通信制御に関するものである。

〔従来の技術〕

光スターカプラを用いたCSMA/CD方式による光通信
は、情報を非同期でかつ高速で伝送できる方式でありLA
Nを中心に用いられる。

従来の光スター形CSMA/CD通信網の一例を第１図に示
す。

第１図において、50は“固定”発振周波数光源、51は
外部変調器、52は光ファイバ伝送路、53は光スターカプ
ラ、55は光受信機を表わしている。

各ノードは、“固定”発振周波数光源50の固有の発振
周波数の光により情報伝送をする。送るべき電気信号は
外部変調器51により搬送波を変調する。スターカプラ53
は、これら全ノードの光信号を均等に全ノードに分配す
る。

以下、同図に示したCSMA/CD方式の通信制御につい
て、動作原理を説明する。「（辻井他、光ファイバ情報
ネットワーク（昭晃堂））参照。」二つのノードA,B間におけるデータ信号の転送につい
て考えると、ノードA,B間の信号の伝搬時間をtdとした
とき、ノードＡが任意の時刻にデータA₁を送信すると、
ノードＡから時間td後にノードＢに信号が到達すること
になる。

したがって、キャリイ・センス（Carrier sence）機
能を持つノードＢではデータA₁が通過中に送信要求があ
ったとしても衝突が予知できるので、A₁が通過するのを
待って送信を開始する。これがCSMA方式の動作原理であ
る。これにさらに、衝突検出（collision detection）
機能（以下CD機能ともいう）が付加されると次のような
動作を行なうことになる。

第２図（ａ）においては、ノードＡが送信を開始して
からtdの間は無信号状態であるためノードＢは送信を開
始してしまう。

すなわち、tdの間にノードＢから送信された信号は、
ノードＢで直ちに衝突が起きてしまう。単なるCSMA方式
では、衝突が起きてもノードA,Bともに、これを意識せ
ずに、予定した全データを総て送出してしまう。

第２図（ｂ）はCD機能を付加した場合の動作を説明す
る図である。

この場合には、同図に示すようにCD機能によりノード
Ｂは直ちに、そしてノードＡはノードＢからの信号を受
信後に衝突を検出する。そして、衝突を検出するとノー
ドA,Bともにジャムコードを送出し、データ送信を中
断、適当な時間を経てからデータの再送を試みる。この
待ちの機能をバックオフ処理という。このように、CD機
能によって、ノード間のデータがお互いに衝突して無駄
に伝送路を所有することを避けることができる。

バックオフ処理の方法としては、（ｉ）各ノードで乱数を発生させ、その乱数に応じた時
間だけを待つ方法（ii）各ノードでの衝突の回数によって待ち時間に重み
付けをする方法（iii）各ノードの重要度、場所に応じて優先順位を前
もって付けておく方法などがある。

（ｉ）の方法は、乱数の範囲の選択によって再衝突の
確率と伝送路の空時間が調整されるが、このバランスが
微妙である。（ii）の方法は、衝突回数が増加する都
度、待時間を長くするため効率は良い。しかし、条件に
よっては待時間が極めて長くなり、音声通信（パケット
でも）のような実時間通信では、大問題となることがあ
る。（iii）は拡張性に問題がある。

現在、主に（ii）の方法が一般に用いられ、衝突回数
ｎに対する乱数の上限を2ⁿとするバイナリーエクスポー
ネンシャル形が主流である。

CSMA/CD方式の基本は、以上述べたとおりであるが、
いずれにしても、まだ衝突による伝送路の利用効率は問
題となるところで、これを改善する数々のアイデアが提
案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したような従来の方式においては、各ノードの情
報を全ノードに分配するため、情報パケット同士の衝突
が、ある確率でおこる。この確率は、ファイルの転送
等、長いパケットの伝送時、伝送路が長いとき、ノード
数が多いとき等に高くなり、LAN以外の一般の市内網等
への適用が困難であるという問題点があった。

本発明は、このような従来の方式における高トラヒッ
ク時、および、システム大規模化に際してパケット衝突
の確率が増大するという欠点を解決することのできる、
光スター形通信方式を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、上述の目的は、前記特許請求の範囲
に記載した手段により達成される。

すなわち、本発明は、発振光の周波数を変化せしめ得
る光源と、周波数が異なる光波の信号を分離し受信でき
る分波受信回路とから構成されるノードと、複数のノー
ドの光信号を全ノードに均等に分配する手段とから構成
される光通信系において、ノードごとに固有の受信用光
周波数を割り当てるとともに、各ノードに送信先に応じ
て情報を搬送する光の周波数を変える手段と、光信号の
送出に際し、通信路上に自ノードが送出すべき周波数の
光信号が存在するか否かを調査する手段と、転送情報を
搬送する光信号を送出後、伝送路上から自ノードが送出
した周波数の光信号を抽出検波して、該検波出力と前記
転送情報とを比較する手段とを設けた光通信方式であ
る。

〔作用〕

本発明による光通信系においては、ノードごとに受信
用の光周波数が割り当てられるので、系内のノードが、
他のノードに対して、情報を伝送する場合、該ノードに
割り当てられている光周波数によって情報を搬送する。

ノードは、光信号の送信に先立って伝送路上にすでに
自己が送出すべき相手先ノードの受信用周波数の光信号
が存在するか否かについて調べる。このとき、もし存在
すれば光信号の送出を抑止して衝突を回避することがで
きる。

一方、伝送路上に送出すべき周波数の光信号が存在し
なければ伝送情報を搬送する該当周波数の光信号を送出
するが、このとき、送信側のノードにおいても、該光周
波数を受信検波して、搬送情報を抽出し、これを、送信
情報と比較する。そして、それらが一致していれば、伝
送路上での衝突が無いものと判断して、情報の転送を継
続し、比較結果が一致しない場合には、衝突が発生して
情報が乱れたものと判断して、光信号の送出を停止する
等により、伝送の遅延時間に起因して生ずる衝突による
混乱をも回避することができる。

〔実施例〕

第３図は、本発明の第１の実施例を示すブロック図で
ある。

同図において、１は半導体レーザ発振周波数制御回
路、２は周波数可変の半導体レーザ、３は外部変調器、
４は変調器駆動回路、５は光ファイバ伝送路、６は光ス
ターカプラ、７は周波数f₁の光波のみを分離する固定光
周波数分離フィルタ、８は可変光周波数分離フィルタ、
９は送信信号チェック用の光受信回路、10は送信光周波
数制御回路、11は光受信回路を表わしている。

このノードには、f₁という周波数が割り当てられてお
り、このノードに情報を送りたい時は、他のノードはf₁
という周波数の光波で情報伝送を行なう。このノード宛
のパケットは固定光周波数分離フィルタ７を介して受信
する。

第４図は、このノードから＃Ｋノードへ情報を転送す
る時の制御を流れ図として示している。

すなわち、送信光周波数制御回路10により可変光周波
数分離フィルタ８の抽出光周波数は、＃Ｋノード固有周
波数であるf_Kに設定される。

そして、情報パケットを送出するまえに可変光周波数
分離フィルタ８の出力を監視し、他のノードが＃Ｋノー
ドへ情報を送出中であるかどうかをチェックする。

もし、送出中であればパケット送出をあきらめ、しば
らく待つ。もし、パケット送出中でなければ、半導体レ
ーザ２の発振周波数をf_Kに設定し、外部変調器３を駆動
し情報を送出する。

この信号は、全ノードに分配されるためパケットを送
出したこのモードでも可変光周波数分離フィルタ８を介
して受信される。このとき、もし、同時に他のノードが
パケットを送出した時は、送出信号と異なるものが受信
される。この場合は、送信をただちに中止し、しばらく
してから再送信を開始する。

下記のような条件の基での、従来方式のCSMA/CD方式
と本発明の光FDN-CDとのパケット転送遅延時間を評価パ
ラメータにして比較する。

（１）各ノードのバッファメモリ容量は無限大。パケッ
ト生起はランダムかつ、全ノードに等確率で発生する。

（２）パケット長は指数分布。

（３）チャンネルビジー検出時の手順は１−パージスタ
ント（persistent）。

以上の仮定の時、M/M/I形待ち行列モデルから平均遅
延時間が求まる。

第５図は、平均遅延時間とパケット生成率の関係の計
算例をグラフとして表わしたもので、ケーブル長2km、
ノード数500、平均パケット長1024ビットの場合を示し
ている。

従来方式のCSMA/CDでは、ネットワーク転送時間に比
べパケット衝突可能時間が長くなるため相対的にスルー
プットが低下する。

光FDN-CDでは、トラフィックがパケットの宛先ごとに
独立な論理パスに分割されるため、高トラフィック負荷
に強い。

第６図は、本発明に使用する光導波路形二重リング共
振器の構成法を示す図であって、12は光導波路、13₁,13
₂はリング形光導波路、14は熱電極、15はリード線、16
は光方向性結合器を表わしている。

本二重リング共振器では、リング形光導波路13₁,13₂
の直径が互いに異なっており、共振周波数間隔は各々の
リングの共振周波数間隔の最小公倍数となる。

また、共振周波数の周期は、導波路の伝搬定数（等価
屈折率）を変化することにより可能であり、実際には同
図に示すように、導波路上に熱変調、あるいは電気光学
効果による変調等を行なうための電極を設定することに
より実現する。

第７図は、第６図に示した二重リング共振器の透過損
失の周波数依存性を模式的に示したものである。

透過損失は、一定の周波数間隔ΔＦで繰り返し零とな
る。従って、周波数多重を行なうために使用可能な周波
数帯域は最大ΔＦとなる。

また、低透過損失領域の幅をΔｆとすれば周波数多重
可能なチャネル数ＮはＮ＝ΔF/Δｆとなる。

第８図は、ΔＦ＝40GHzで設計した二重リング共振器
の透過損失の周波数依存性の計算例を示したものであ
る。

本計算例では、屈折率1.46の石英系光導波路を仮定し
ており、リング導波路の半径は、各々5736.8μｍ、655
6.3μｍ、各々のリング導波路と入出力光導波路の電力
結合係数K1は0.12、リング導波路間の電力結合係数K2は
0.006である。

本計算例では、クロストークの最悪値は、−14dBであ
り、クロストークによる劣化は、殆ど生じないものと考
えられる。

また、3dB透過帯域幅Δｆは190MHzであり、周波数多
重可能なチャネル数は210となる。

このことは、従来の光バス方式と比較して、ノード数
が20倍以上となることを示している。

また、本質的には分岐・挿入器による損失の増加はな
く、ノード数の制限要因とはならない。

一方、可同調形の光合分波器は、波長分離素子として
可動形の回折格子を使用したり、一重リング共振器によ
り構成することができる。しかし、回折格子を用いた光
合分波器ではチャネル数が光ファイバと回折格子との結
合損失で制限され、現在試作されているものでは、最大
20チャネルである。

また、一重リング共振器で、上記二重リング共振器と
同一のΔＦを有するものを作製するためには、リングの
半径を約半分にする必要があり、導波路の曲がりによる
放射損失が著しく増加する可能性がある。したがって、
一重リング共振器でも、チャネル数を多くとることが難
しい。

第９図は本発明の第２の実施例を示すブロック図であ
って、光ヘテロダイン検波を用いて光FDM多重信号を分
離する構成例を（ａ）に示している。

同図（ａ）において、１〜６および10は第３図に記し
たものと同じであり、20は光結合器、21は発振周波数f₀
の光ローカル発振器、22は光検波回路、23は周波数（f₁
-f₀）の中間周波信号を分離する固定IF帯フィルタ、24
は可変IF帯フィルタ、25は送信信号チェック回路を表わ
している。このノード宛のパケットは、固定IF帯フィル
タ23を介して受信する。

同図（ｂ）は、IF帯信号の周波数配置を示す図で、こ
の図に示すように、このノードから＃Ｒノードへ情報を
転送する時は、送信光周波数の抽出周波数は、＃Ｒノー
ドの固有周波数に対応する（f_R-f₀）に設定される。同
時に（周波数可変）半導体レーザ２の発振周波数もf_Rに
設定される。

本実施例は光ヘテロダイン検波のIF帯回路で受信信号
の分離が行なわれる以外は、第３図の例と同じである。

第10図は本発明の第３の実施例を示すブロック図であ
って、光ホモダイン検波を用いて光FDM多重信号を分離
する構成の例を示している。

同図において、１〜６および10は第３図に記したもの
と同じであり、26は入力信号を２等分する光分岐回路、
27,29は光結合回路、28は可変周波数の光ローカル発振
器、30は固定発振周波数、f₁の光ローカル発振器、31は
光受信回路を表わしている。

このノード宛のパケットは、固定発振周波数f₁の光ロ
ーカル発振器30により光フィルタ32を介して受信する。

このノードから＃Ｒノードへ情報を転送する時は、送
信光周波数制御回路10により可変周波数の光ローカル発
振器28の発振周波数を＃Ｒノードの固有周波数のf_Rに設
定する。

本実施例は、光ローカル発振器の発振周波数が異なる
二つ光ホモダイン検波回路で受信信号の分離が行なわれ
る以外は第３図と同じである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本方式ではノードのアドレスを
光周波数に対応させ他ノードがその周波数を使用してい
ないことを確認してから、送信を行なうため、パケット
の宛先ごとの競合しか生じないので、多数のノード間の
通信を減少させ、高い通信効率が得られる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光スター形通信網の一例を示す図、第２
図はCSMAとCSMA/CDの動作原理を説明する図、第３図は
本発明の第１の実施例を示すブロック図、第４図は本発
明の実施例の制御を示す流れ図、第５図は平均遅延時間
とパケット生成率の関係の計算例を示す図、第６図は本
発明に使用する光導波路形二重リング共振器の構成法を
示す図、第７図は二重リング共振器の透過特性を模式的
に示す図、第８図は二重リング共振器の透過損失の周波
数依存性の計算例を示す図、第９図は本発明の第２の実
施例を示すブロック図、第10図は本発明の第３の実施例
を示すブロック図である。１……半導体レーザ発振周波数制御回路、２……周波数
可変の半導体レーザ、３……外部変調器、４……変調器
駆動回路、５……光ファイバ伝送路、６……光スターカ
プラ、７……固定光周波数分離フィルタ、８……可変光
周波数分離フィルタ、９……光受信回路、10……送信光
周波数制御回路、11……光受信回路、12……光導波路、
13₁,13₂……リング形光導波路、14……熱電極、15……
リード線、16……光方向性結合器、20……光結合器、21
……光ローカル発振器、22……光検波回路、23……固定
IF帯フィルタ、24……可変IF帯フィルタ、25……送信信
号チェック回路、26……光分岐回路、27,29……光結合
回路、28……可変周波数の光ローカル発振器、30……固
定発振周波数f₁の光ローカル発振器、31……光受信回
路、32……光フィルタ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発振光の周波数を変化せしめ得る光源と、
周波数が異なる光波の信号を分離し受信できる分波受信
回路とから構成されるノードと、複数のノードの光信号
を全ノードに均等に分配する手段とから構成される光通
信系において、ノードごとに固有の受信用光周波数を割り当てるととも
に、各ノードに送信先に応じて情報を搬送する光の周波
数を変える手段と、光信号の送出に際し、通信路上に自ノードが送出すべき
周波数の光信号が存在するか否かを調査する手段と、転送情報を搬送する光信号を送出後、伝送路上から自ノ
ードが送出した周波数の光信号を抽出検波して、該検波
出力と前記転送情報とを比較する手段とを設けたことを
特徴とする光通信方式。
【請求項２】各ノードにおいて、バースト状光信号を送
信する前に、自ノードの分波受信回路の一つの受信周波
数を送信しようとする光周波数に合わせ、送信光周波数
の使用状態を監視する請求項１記載の光通信方式。