JP3311232B2 - 光時分割多重装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超高速の伝送レート
で通信を行う光時分割多重通信システムにおける光時分
割多重装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】情報化社会の発展により、より大きな通
信伝送容量が要求されている。幹線系では、近く１ファ
イバあたりの伝送容量１０Ｇｂｐｓが実用化されようと
しており、実験レベルでは１００Ｇｂｐｓクラスの伝送
が行われている。１００Ｇｂｐｓクラスの伝送はそのま
までは、電子回路の帯域が不足して送受信が困難である
ため、通常、複数の低速のビットレートの信号を光の状
態で多重・分離して行われる。

【０００３】例えば１０Ｇｂｐｓの光信号を１０多重す
れば１００Ｇｂｐｓになるという具合である。光の多重
には大きく分けて波長多重と時分割多重の２種類がある
が、ここでは、特に、時分割多重について述べる。

【０００４】光時分割多重について簡単に説明する。図
５に示すように、低速の繰り返し周波数（ＢＨｚ）の時
間的に細いパルス列を発生させ、それを複数（ここでは
ｃｈ１からｃｈｎまでのｎ個）に分岐し、各々にビット
レートＢｂｐｓの独立なデータ変調をかける。これを位
相間隔が均等になるように各々の低速データパルス列の
位相を制御してカップラなどで合波する。すると図５の
右側のようにトータルでＢ×ｎｂｐｓのデータパルス列
を得る事ができる。

【０００５】ところで、上記したような低速のデータパ
ルス列を合波する場合に問題となるのが、コネクタやデ
バイス内での反射による不要光の発生である。コネクタ
に関しては、低反射技術が進歩してきているため、コネ
クタにゴミの付着、傷などが無い限りほとんど問題にな
らない程度の反射しか発生しない。しかし、デバイス、
特に、半導体系のデバイスは屈折率が空気の屈折率（お
よそ１）と大きく異なる（通常３以上）ため、無反射コ
ーティングを施してもその反射率を０．１％以下（−３
０ｄＢ以下）に抑える事が難しく、反射が生じてしま
う。

【０００６】システム内には、光アイソレータが挿入さ
れている箇所が随所にあるが、各アイソレータ間の反射
箇所が一カ所のみであるならば、光が少量逆方向に伝搬
するだけで大きな影響はない。しかし、２カ所以上ある
と多重反射となって、反射によって生じた光が信号光の
進行方向と同方向に進む事になる。半導体デバイスの一
端面と外部の反射点による多重反射ならば、その間にア
イソレータを入れれば済むが、デバイスの両端面間の多
重反射は避ける事が出来ない。

【０００７】信号光がＮＲＺなどのデューティ比の高い
信号である場合、もとの信号光と反射光が時間的に重な
る確率が大きく、重なった部分は干渉を起こす（図６
（ａ））。光源の光位相はそのコヒーレンスに応じてラ
ンダムに変化するので、そのときの位相状態によって、
重なった部分の光パワーが増減する。これを、より遅い
時間軸で平均光パワーの変動としてみると図６（ｂ）の
様にランダムに揺らぐ事になる。このような現象は受信
時のアイ開口の変動につながり、ひいては受信感度の劣
化につながる。

【０００８】一方、光時分割多重を行う場合のように、
信号光が細いパルスの列であるならば、多重反射があっ
ても、図７（ａ）の様に反射によって生じた小さいパル
スともとの信号パルスが重なる確率は小さい。しかし、
これを時分割多重した場合は図７（ｂ）の様に、異なる
データパルス列間で干渉が起こり、平均光パワーは図６
（ｂ）と同様にランダムに変動する。これは、同様に受
信感度の劣化につながる。また、光時分割多重のパルス
発生器の一つとして、電界吸収型（ＥＡ）変調器があげ
られる。ＥＡ変調器を使用すれば、タイミングジッタが
少なく、光振幅の揺らぎも少ない安定な光パルスを発生
させる事ができ有望である。しかし、欠点としては細い
パルスを発生させるためには、ＥＡ変調器で吸収される
光量を大きくしなければならず、また、半導体デバイス
であるため、モジュール化する際の結合損失が大きく、
光時分割多重用のパルス発生に用いた場合、モジュール
での光損失が非常に大きい。したがって、その後、光ア
ンプで増幅したとしても、アンプ出力の光Ｓ／Ｎは悪く
なる。すなわち全体の光量に対して、アンプで発生した
自然放出光による雑音光の占める割合が大きくなる。雑
音の増加は受信感度の劣化につながる。またソリトン通
信などでは、自然放出光雑音の増加は伝送後にタイミン
グジッタの増加として現れ、受信感度を劣化させる。

【０００９】自然放出光によって光Ｓ／Ｎが劣化した状
態を示すとのようになる。時分割多重する前の一つのデ
ータパルス列に加わってしまった自然放出光は許容でき
ても、これを時分割多重することにより他のデータパル
ス列の自然放出光が加わり、雑音が飛躍的に増大してし
まう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
光時分割多重装置では、反射や光増幅器の自然放出光な
どにより、データが変調されるパルス以外の不要な光が
付加されて、受信感度が劣化してしまうという問題があ
った。

【００１１】本発明の光時分割多重装置はこのような課
題に着目してなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、自然放出光や多重反射などによって生じる不要な
光を除去することにより、受信感度の劣化を防止して伝
送特性を大きく改善することができる光時分割多重装置
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は複数のデータ変調された光パルス列を多
重する光時分割多重装置において、所定の光パルス列を
発生する所定のコヒーレンスを有するパルス源と、前記
パルス源から発生される光パルス列を多重数に分岐して
複数のパルス列とする分岐手段と、前記分岐手段によっ
て得られた複数の光パルス列をそれぞれ変調する複数の
変調手段と、変調された複数の光パルス列を合波・多重
する多重手段と、前記変調手段と前記多重手段との間に
それぞれ設けられ、前記変調された複数の光パルス列を
それぞれ透過させる、入射光強度が大きくなるに従って
光の透過率が大きくなる特性を持つデバイスとを有する
ことを特徴とする。前記デバイスは、例えば前記変調手
段の直後に設けられる。

【００１３】また、本発明は複数のデータ変調された光
パルス列を多重する光時分割多重装置において、所定の
光パルス列を発生する所定のコヒーレンスを有するパル
ス源と、ツリー状に配置された複数段の分岐部から構成
され、前記パルス源から発生される光パルス列を多重数
に分岐して複数のパルス列とする分岐手段と、前記分岐
手段によって得られた複数の光パルス列をそれぞれ変調
する複数の変調手段と、変調された複数の光パルス列を
合波・多重する多重手段と、前記分岐手段の最終段の分
岐部の直前にそれぞれ設けられ、前記複数の光パルス列
をそれぞれ透過させる、入射光強度が大きくなるに従っ
て光の透過率が大きくなる特性を持つデバイスとを有す
ることを特徴とする。

【００１４】

【００１５】

【発明の実施の形態】まず、本実施形態の概略を説明す
る。本実施形態では、複数の光データパルス列が多重さ
れる光時分割多重システムの送信部において、複数の光
データパルス列を合波、多重化するに先だって、光透過
率が入射光パワーに依存する１つ以上のデバイスを透過
させるようにする。ここで、光透過率が入射光パワーに
依存するデバイスとは、光カースイッチの様に、過飽和
吸収特性、すなわち、入射光強度が大きくなるに従っ
て、光の透過率（透過量ではない）が大きくなる特性を
持つデバイスを意味する。この場合、上記特性はある入
射光強度の範囲に限定されていてもよい。

【００１６】光パルス列発生部から出力された光パルス
列は分岐されて各々独立のデータで変調される。それぞ
れの変調パスの光に、（ａ）のようにパワーは小さいが
悪影響を与える反射による不要光が混入した場合、上述
のような過飽和吸収特性を持つデバイスを透過させる事
により、不要光が直接メインのパルスと重なっていない
限り、ほとんど除去する事ができる。これは、不要光の
パワーは小さいので過飽和吸収特性によって透過率が非
常に小さくなるためである。このようにして、複数の光
データパルス列を多重したときに、不要光が他のデータ
パルス列と重なって起こす干渉を大幅に減少させる事が
できる。

【００１７】また、図８のように自然放出光による不要
光がある場合、メインのパルスに重なった部分の自然放
出光は過飽和吸収特性を持つデバイスでは除去できない
がそれ以外の部分は除去できる。従って、複数のデータ
パルス列を時分割多重するときに、他のパルス列のパル
スが無い部分に生じている自然放出光が重なってくる事
を防ぐことができ、パルスに自然放出光が加わることに
よる振幅や光位相の揺らぎを小さくすることができる。

【００１８】なお、上述の方法は各データパルス列のそ
れぞれの変調パスに過飽和吸収特性を持つデバイスを挿
入しており、不要光を除去するという点で大変優れてい
る。一方、コスト的に余裕の無い場合は、光パルス発生
部で発生した光パルスを多重数に分岐する前に過飽和吸
収特性を持つデバイスを１つだけ挿入してもよく、この
場合でもある程度の効果が期待できる。あるいは、光パ
ルスを多重数分に分岐する前にいくつかに分岐し、この
分岐点に上記デバイスを挿入しても良い。

【００１９】以下に、図面を参照して本実施形態を詳細
に説明する。図１に本実施形態の構成を示す。光通信シ
ステムでは、その性能を確保するために様々な機構、デ
バイスをシステム中に導入するが、ここで示す実施形態
では、本発明の要旨に密接に関連する部分のみを示し、
その他の構成、例えば、光増幅器、光移相器などは省略
してある。そのような機構、デバイスは必要な場所に適
宜挿入されているものとする。

【００２０】図１において、パルス源１から、変調デー
タのクロック周波数に同期した、時間的に細いパルスが
出力されて、分配器４で複数に分割され、光変調器２−
１〜２−ｎでそれぞれのパスで異なるデータによって変
調される。変調された後、過飽和吸収特性を持つデバイ
ス３−１〜３−ｎを透過して、合波器５で合波・（時分
割）多重される。このとき、それぞれのパスのパルスの
位相は合波されたときに重なりあったりせず、均等な間
隔で並ぶように各パスの遅延量が調整されているものと
する。

【００２１】上記した過飽和吸収特性を持つデバイス３
−１〜３−ｎとしては、光パルスが時間的にあまり細く
ないものならば、ダイ（染料）やＭＱＷの半導体など、
フォトンの吸収によって過飽和吸収を起こすものでも良
い。しかし、このようなものは、ピコセカンドクラスの
パルスに対しては、吸収によって生じた励起状態が緩和
する時定数によって、光パルスの立ち上がりの時の非線
形吸収率と、立ち下がり時の非線形吸収率が異なるた
め、媒質から出力される光パルスの波形がやや歪む（立
ち上がりが鋭くなり、立ち下がりは媒質に入射されるパ
ルスと同様になる）可能性があり、さらに、光パルスの
直後の不要光の除去率が悪くなる可能性がある。したが
って、ピコセカンドクラスの高速なパルスに対しては、
光の吸収をその過飽和吸収プロセス内に伴わないものを
用いたほうがよい。

【００２２】例えば、図２（ａ）に示すような光カース
イッチや、図２（ｂ）に示すような非線形増幅ループミ
ラー（ＮＡＬＭ）、あるいは図２（ｃ）に示すような非
線形ループミラー（ＮＯＬＭ）が考えられる。これら
は、光ファイバの三次の非線形定数の実数部によって起
こる屈折率の変調（カー効果）を利用している。図２
（ａ）に示す光カースイッチでは、複屈折ファイバ７を
通過させて複屈折率の変調によって偏波変調された光を
偏光子８を通すことで過飽和吸収特性を持たせている。

【００２３】一方、図２（ｂ）、（ｃ）に示すＮＡＬＭ
やＮＯＬＭでは、同じパスを逆方向に進む光の強度が異
なり、受ける自己位相変調の度合いが異なるため、光フ
ァイバ１１、１３の入り口に戻って来たときに、２つの
逆方向に進んできた光の位相が異なり、カップラ（３ｄ
Ｂカップラ９、カップラ１２）で干渉するときに、その
入射強度に依存して出力される光の強度が異なるという
ものである。なお、ＮＡＬＭやＮＯＬＭの原型ともいえ
るマッハ・ツェンダー型の干渉計でも同様の現象が起こ
り得るが、２つのパスの光路長差の制御が難しい。光フ
ァイバ１１、１３の非線形応答はサブピコセカンド以下
の非常に高速な応答速度を持っているため、ピコセカン
ドクラスのパルスに対して有効である。

【００２４】ＮＡＬＭはその内部に光増幅器１０を備え
ているため入射光強度が小さくても良い。光カースイッ
チやＮＯＬＭについても十分な位相変調を起こさせるた
めにはその前に光増幅器をおくと良い。ただし、これら
のデバイスは、過飽和吸収特性を示す入射光強度が限定
されている。例えば、ＮＯＬＭの場合、逆方向にまわる
２つの光の自己位相変調量の差が最大の光振幅（すなわ
ちパルスのピーク）でもπ以下になるような入射光パワ
ーまでならば、その透過率は入射光強度が大きくなるに
従って大きくなって行く。しかし、それを越すようなパ
ワーが入射されると、位相差がπを越し、パルスのピー
クでは透過率がかえって低くなるような現象が起こる。
したがって、これらのデバイスを過飽和吸収特性を持つ
デバイスとして使用する場合には入射光強度を適切な値
にしなければならない。（ＮＡＬＭの場合には、内部に
含まれる光増幅器の出力パワーに対しても注意を払わな
ければならない。） 過飽和吸収特性を持つデバイスが挿入される位置は多重
反射が起こったり雑音が混入した直後が望ましい。でき
ることならば、そのような不要光の生じるすべてのデバ
イスの後ろにいちいち挿入するとよい。しかし、そのよ
うにするとコストがかさむので、各データパルス列を合
波する前に、それぞれのパスに挿入すると良い。図１で
は、光変調器２−１〜２−ｎの後ろに挿入されている
が、光変調器２−１〜２−ｎが反射の無いものであるな
らば光変調器２−１〜２−ｎの前でも良い。前述のよう
に、各変調パスには図に示してある以外のデバイスも配
置されていることがあり、過飽和吸収特性を持つデバイ
スは、不要光を発生させるデバイスの内、最も後方にあ
るデバイスの後ろに挿入することが望ましい。

【００２５】また、コストを削減する方法の一つとし
て、変調器と過飽和吸収特性を持つデバイスを集積化す
る方法がある。半導体の光吸収特性を過飽和吸収特性と
して利用する場合や、ＮＡＬＭを半導体光増幅器と半導
体導波路で形成する場合には、半導体型の光変調器との
集積化が可能である。あるいは、電気光学結晶に希土類
などの物質をドープして利得をもたせ、電気光学結晶の
非線形性を利用してＮＡＬＭを形成した場合には、電気
光学結晶型の変調器と集積化が可能である。

【００２６】また、パルス源が主に不要光を出す原因で
あり、分岐された後の各変調パスに不要光を発生させる
原因となるデバイスがほとんど無い場合には、図３のよ
うに、パルス源１の後ろでかつ分配器４で分岐する前
に、過飽和吸収特性を持つデバイス１５を一つだけ挿入
しても良い。このようにすればコストを大幅に削減でき
る。

【００２７】また、スターカップラで一気に多重数に分
岐してしまうと、光強度が小さくなりすぎて、光増幅器
を通したときに光Ｓ／Ｎが大幅に劣化してしまう場合
は、のように、パルス源１からのパルスをツリー状に分
岐し、途中に光増幅器１４を挿入することがある。この
場合は、最後の分岐の直前に過飽和吸収特性を持つデバ
イス３−１〜３−ｍを挿入すると良い。このようにする
と、それまでの光増幅器による自然放出光を削減するこ
とができる。

【００２８】以上のようにすると、不要光が生じても、
合波器５によって各データ列が多重される前に大部分を
除去することができるので、多重された後に、自分以外
のデータ列からの不要光と重なって干渉を起こしたり、
余計な自然放出光が重なってくることがなくなり、良好
な伝送を行うことができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、光時分
割多重装置において、自然放出光や多重反射などによっ
て生じる不要光を、各データ列が合波・多重される前に
過飽和吸収特性を持つデバイスによって除去することに
より、合波された後に他のデータ列からの不要光が重な
ってくることがなくなる。これによって不要光によって
生じていた干渉や、自然放出光雑音の発生を防止できる
ので受信感度が劣化せず伝送特性を大きく改善すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の構成を示す図である。

【図２】高速なパルスを用いた場合の実施形態を説明す
るための図である。

【図３】本発明の他の実施形態の構成を示す図である。

【図４】本発明の他の実施形態の構成を示す図である。

【図５】光時分割多重の概略を説明するための図であ
る。

【図６】反射波による干渉を説明するための図である。

【図７】光時分割系での反射波による干渉を説明するた
めの図である。

【図８】自然放出光雑音が混入した信号光を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…パルス源、２−１〜２−ｎ…光変調器、３−１〜３
−ｎ…過飽和吸収特性を持つデバイス、４…分配器、５
…合波器、６…伝送用光ファイバ、７…複屈折ファイ
バ、８…偏光子、９…３ｄＢカップラ、１０…光増幅
器、１１…光ファイバ、１２…カップラ、１３…光ファ
イバ、１４…光増幅器、１５…過飽和吸収特性を持つデ
バイス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/28 H04J 14/00 - 14/08 H04J 3/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のデータ変調された光パルス列を多重
   する光時分割多重装置において、 所定の光パルス列を発生する所定のコヒーレンスを有す
   るパルス源と、 前記パルス源から発生される光パルス列を多重数に分岐
   して複数の光パルス列とする分岐手段と、 前記分岐手段によって得られた複数の光パルス列をそれ
   ぞれ変調する複数の変調手段と、 変調された複数の光パルス列を合波・多重する多重手段
   と、 前記変調手段と前記多重手段との間にそれぞれ設けら
   れ、前記変調された複数の光パルス列をそれぞれ透過さ
   せる、入射光強度が大きくなるに従って光の透過率が大
   きくなる特性を持つデバイスとを有することを特徴とす
   る光時分割多重装置。
2. 【請求項２】前記デバイスは、前記変調手段の直後にそ
   れぞれ設けられていることを特徴とする請求項１記載の
   光時分割多重装置。
3. 【請求項３】複数のデータ変調された光パルス列を多重
   する光時分割多重装置において、 所定の光パルス列を発生する所定のコヒーレンスを有す
   るパルス源と、 ツリー状に配置された複数段の分岐部から構成され、前
   記パルス源から発生される光パルス列を多重数に分岐し
   て複数の光パルス列とする分岐手段と、 前記分岐手段によって得られた複数の光パルス列をそれ
   ぞれ変調する複数の変調手段と、 変調された複数の光パルス列を合波・多重する多重手段
   と、 前記分岐手段の最終段の分岐部の直前にそれぞれ設けら
   れ、前記複数の光パルス列をそれぞれ透過させる、入射
   光強度が大きくなるに従って光の透過率が大きくなる特
   性を持つデバイスとを有することを特徴とする光時分割
   多重装置。