JP3341891B2 - 光カプラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、通信ネットワーク用の光カプラに関する。

電話用のローカル交換機のような分岐通信ネットワー
クは通常銅線中央交換ベースのスイッチングネットワー
クおよび電子または機械的スイッチングを使用してい
る。光ファイバの開発後に、光ネットワークが開発され
た。光ファイバベースのネットワークの利点は同時通信
および、または同じ光ファイバによるかなり大きい帯域
幅の通信を支持できることである。

現在の受動光ファイバネットワーク（PON）は電子ス
イッチング装置を使用する通常の中央化させたスイッチ
ング技術に基づく。異なる光ファイバベースのネットワ
ーク帯域の電子スイッチの信頼はスイッチの能力に対し
てネットワークの通路を制限し、「電子ボトルネック」
をもたらす。典型的に、現在の電子スイッチは64キロビ
ット／秒の処理能力を支持できる。これは少ない数の同
時音声チャンネルに対して十分であるが、例えばビデオ
会議に使用されるような２方向切替えビデオには不適当
である。それはまた高鮮明度テレビジョンのような広帯
域放送通信においても不適当である。

ネットワークの通路がノードコネクタに接続される分
配されたスイッチング装置は従来において知られてい
る。ネットワークは放送ベースであり、顧客はそれぞれ
他の顧客ターミナルの出力を受信することができる。

しかしながら、これらは現在のところネットワークノ
ードに必要な光コネクタに関連する潜在的損失によって
電子ネットワークに制限されている。

米国特許4787693号明細書では、１人のユーザによっ
て送信されたメッセージが他の全てのユーザによって受
信されることが可能である放送型式ローカル区域ネット
ワーク（LAN）用の受動星形光カプラが開示されてい
る。基本的なカプラは送信星形装置の１ポートが残りの
ポートに接続された全ターミナルに透明であるカプラを
生成するために反射表面で終端される反射星形装置であ
る。

もちろん、反射星形カプラを構成する多数の方法があ
り、それは当業者に明らかである。直列データバス用の
別の単一反射カプラが米国特許4457581号明細書に開示
されている。

しかしながら、上述のように、克服されるべき主な問
題はカプラを通る信号の減衰をもたらすカプラの損失の
問題である。これはネットワークに対する光ファイバカ
プラの適応性を制限し、かなりの数のカプラが必要であ
ることである。

本発明によると、結合点で通信のために結合された複
数の光伝送素子を含み、使用時に各素子に伝送された光
は素子の相互間で結合され、１つの素子は結合点に戻る
ためにカプラに残る光を再び供給する光再伝送手段を設
けられている光カプラにおいて、１つの素子はまたそれ
に沿って伝送された光の光路に信号調整手段を設けられ
ていることを特徴とする。

したがって、カプラは種々の素子において信号に透明
であるが、カプラに関連する損失は信号調整素子によっ
て妨害できる。代りに、信号調整素子は予め定められた
波長または波長領域でのみカプラを透明にするために使
用される。

１つの形態において、信号調整手段は増幅器である。
信号調整手段はまたフィルタまたはフィルタと増幅器の
組合わせであってもよい。

フィルタが使用されるとき、周波数領域または時間領
域が選択される。

本発明はまた、光スイッチングネットワーク、例えば
本発明のカプラを備える受動光ネットワークに拡張され
る。ネットワークは少なくとも複数のノードがカプラに
よって構成される分配スイッチングネットワークであっ
てもよい。

本発明の別の概念によると、１つのポートの出力をレ
ーザに反射して戻して別のポートから放出されるように
配置された反射手段によって特徴付けられる２つ以上の
光伝送ポートを有するレーザを含む光信号調整装置が提
供される。

光ファイバについては、本発明は可視光帯域外の波
長、例えば赤外線および紫外線を有する電磁放射に等し
く適用されることを理解すべきである。

本発明は、種々の方法で実行でき、その幾つかが添付
図面を参照して例によって説明される。

第１図は、受動光ネットワークのブロック図である。

第２図は、本発明の２×２星形カプラの概略図であ
る。

第３図は、本発明の別の形態の星形カプラを備える反
射星形分配スイッチネットワークのブロック図である。

第４図は、本発明の変更された半導体レーザチップの
概略図である。

第５図は、本発明の反射カプラの別の形態である。

第６図は、本発明の４×４星形カプラのブロック図で
ある。

第７図は、本発明を含むヘテロダイン光チューナであ
る。

第１図を参照すると、通常の受動光ネットワークロー
カル交換機は第１のローカル分配器12に接続される中央
交換機トランクスイッチ10を含む。これは１組のパワー
分割器またはスプリッタ16を通って複数の顧客14の各々
に接続される。ネットワークは中央スイッチ10が電話の
呼びを種々の顧客に導く「ツリー」形態を構成してい
る。

銅線ネットワークと競合するために、等価の光システ
ムはそれ以下の設置および保守コストを有することが必
要である。したがって、基本レベルに関して、光システ
ムを構成し、音声および低速データ電話のような狭帯域
サービスを提供し、さらに現存のネットワークは固有容
量を有し端末装置のみを改良する必要があるので、さら
に高いレベルで現存のネットワーク内において広帯域２
方向切替サービスを提供することが可能であることが望
ましい。

第２図を参照すると、第１の単一モードファイバ18が
適当な結合距離Ｌにわたって単一モードファイバ20に結
合されている２×２光カプラが示されている。ファイバ
18の左端部18aはトランク交換スイッチ10に接続され
る。両ファイバ18,20の右端部18b,20bはパワー分割器1
6、すなわち顧客ターミナル14に接続される。

ファイバ20の左端部20aは増幅器24を通って終端反射
表面22に接続される。カプラは第１図に示された分配器
12と置換するために使用され、他方のファイバによって
伝送される一方の端部からの一方のファイバによる信号
の相互通信を許容する。したがって、ファイバの信号が
カプラを通ってネットワークの他のファイバに伝送され
るとき、ネットワークはローカルトラフィック用の分配
スイッチとして機能し、さらにトランク交換機スイッチ
10から顧客14に伝送された信号に対するツリー構造とし
て依然として作用する。結果として、ネットワークはト
ランク交換機スイッチ10に必要なツリー構造を維持しな
がら、分配スイッチングネットワークの反射カプラ（各
々の顧客によって見られるように）になる。顧客は高ピ
ーク伝送パワーおよび高感度を有する単一モードの光−
電子トランシーバを介してネットワークにアクセスす
る。

他の形態の星形技術があるが、反射星形形態は各顧客
および顧客対間に対して単一の光路のみである利点を有
する。

反射星形カプラは増幅器なしで使用されるが、反射に
より生じる損失およびカプラにより与えられた「往復
（ラウンドトリップ）」路は重要ではない。この問題は
そのようなかなりの数のカプラが単一ネットワークに必
要であるとき拡大される。ネットワークの損失レベルは
各カプラにおける信号の分割率と共に上昇する。したが
って、増幅器は信号レベルを高め、損失を補償するため
に設けられる。

反射時に増幅器を配置する特別の利点は信号が増幅器
を通る２重通路を構成し、２重増幅が得られることであ
る。

特に適した増幅器の１つは半導体レーザ装置である。
この場合、反射媒質は装置上の被覆物を形成し、単一の
ファイバ接続のみが必要である。したがって、通常の単
一ファイバ装置が使用できる。適切な半導体レーザ装置
をより詳細に説明する。

第３図は反射がフィルタ26の使用によって周波数選択
性にされる変形ネットワークを示す。もちろん、同じ効
果は図示の別々の増幅器およびフィルタ装置と反対立に
波長選択増幅器（すなわち能動フィルタ）を使用するこ
とによって成遂げられる。いずれの場合においても、顧
客は他の波長ではなく選択された周波帯を横切って反射
ネットワークを「想像」する。全ての他の点において、
第３図のネットワークは第２図にしたがって構成され、
分配スイッチネットワークを構成する第１図のネットワ
ークと類似し、同様の参照符号は同じ素子を示すために
使用されている。

波長ろ波の別の形態として、さらに同期した分割多重
アクセス原理に基づいた選択的反射装置を設定すること
が可能である。これは選択されたタイムスロットにおけ
る信号をアクセスするのに適切である各顧客またはグル
ープの顧客に対するタイムスロット割当てを必要とす
る。

半導体レーザおよびファイバレーザの両者はカプラの
反射アームにおける低レベル信号を増幅する２ポートの
光増幅装置に適しているように思われる。これらの装置
は通常２方向性であるので、信号を両方向に増幅するた
めに２つのターミナル間において使用される。

反射レーザ増幅器反射体は第４図に示されているよう
に反射ミラーを追加するか、或いは半導体レーザ装置の
１ポートに被覆することによって本発明により使用され
る。

装置は通常１つのターミナルにおける電気入力28から
電力を供給され、基体に対する接地接続30を有する半導
体レーザチップ27を含む。高反射姓被覆物32はチップの
１端部に施され、その端部に実質上全反射をもたらす。
チップの他端部は第２図に示されたファイバ20から構成
されるテーパを有するレンズで終端した光ファイバと整
列される。反射防止被覆物33はレーザチップ27の放出端
部に設けられるのが好ましい。

したがって、この有効な１ポートの光学装置は分配ス
イッチネットワークの反射星形カプラの増幅反射ノード
として使用できる。装置はまた選択された波長にしたが
って光を導入または反射する装置のそれぞれの表面に対
する光波長の予め定められた範囲に応じて、波長依存多
層反射被覆を設けることにより波長選択を有するフィル
タとして配置されることができる。その代わりに、レー
ザチップ自体が波長の予め定められた範囲のみ応じるよ
うに構成されることができる。

半導体レーザ増幅器が利得を有する反射ノードとして
使用されるとき、このような半導体レーザ増幅器は通常
その放出しきい値より下でバイアスされる。それはまた
しきい値より上でバイアスすることによって信号をネッ
トワークに伝送するために使用できる。

時分割多重化（TDM）システムにおいて、この付加さ
れた信号機能はネットワーク同期および、または制御に
対して使用でき、通常低いデューティサイクルを有す
る。

増幅器の利得はまたバイアス電流を変化することによ
って変化される。この機能は信号変調および、または制
御の他の方法の失敗または顧客ターミナルのタイムスロ
ットの下流信号を付加するのに特に有用である。

レーザチップは埋設ヘテロ構造のような広帯域装置構
造、または分布フィードバックレーザのような狭帯域装
置であってもよい。

装置構造およびパッケージングは通常の変更されない
半導体レーザに使用されるものと非常に類似している。
結果的に、この型式の単一ポート増幅器は通常の生産方
法を使用してパッケージされることができ、それはその
方法が通常の半導体レーザソースとして生産するのと同
様に安価に製造されることを意味する。

ファイバレーザ増幅器ベースのカプラ反射体が第５図
に示されている。ネットワークからの信号はドープされ
たファイバループ36によって両方向にフィルタ34および
50％カプラ35を通って流れる。

パワーはエネルギポンプ38によってフィルタ40を介し
てカプラに供給される。ポンプエネルギは信号利得がド
ープ領域内の光子相互作用により発生可能なレベルでド
ープされたファイバループ36に入射する。そして、増幅
された信号はループから外部へカプラおよびフィルタ34
を通過してネットワークに戻る。カプラ35およびドープ
されたループ36は増幅器兼反射器を構成し、端部中の光
はループおよびカプラ（ループの端部と共に結合する）
を介して端部20aに再び入力される。

フィルタ34はポンプエネルギがネットワークに入射す
るのを阻止し、および、または、増幅された再伝送のた
めの波長を選択するために必要とされる。したがって、
それは部分的に第３図に示されたフィルタ26と同じ機能
を与える。

フィルタ40はポンプ38に接続されたファイバの端部に
おける信号の反射を阻止するために必要とされる。理想
的には、フィルタ34,40は、カプラがポンプおよび信号
の両波長でパワーを均等にパワーを分割するゆえ、波長
ろ波を使用しない状態においては必要ではない。したが
って、装置は信号エネルギがポンプの到着する、或いは
ポンプエネルギがネットワークファイバに供給されるの
を阻止するために十分に平衡を保たれる。

ファイバ20aに対する別の形態の反射終端は第５図に
示されるようにカプラに接続された単一モードファイバ
ループである。しかしながら、この場合において、フィ
ルタ40およびポンプ38は省かれ、カプラの右側のファイ
バは左側では終端されず、或いはカプラが不平衡である
ならば、必要に応じて適度に終端される。再び、反射カ
プラが波長選択するならば、フィルタ34は任意で含むこ
とができる。この反射カプラにおいて、２方向性半導体
レーザチップがループ中を通過してカプラを介して外に
出る光を増幅するためにループに挿入される。

顧客によるネットワークのアクセスはネットワークが
狭帯域または広帯域モードで動作させるか否かに依存す
る。

狭帯域サービスに対して、ネットワークプロトコール
は64キロビット／秒の電話に適するように設計されるこ
とができ、TDMAに基づく。広帯域アクセスはTDMAまたは
波長分割多重アクセス（WDMA）であってもよい。狭帯域
サービスに対して、非同期ではなく同期TDMAシステムが
帯域幅に有効であり、顧客ターミナルの比較的安い電子
装置をもたらす。１人の顧客当りのシステムのコストは
ファイバのコストと、光−電子トランシーバと、顧客ア
クセス電子装置の間でほぼ均等に分割される。設置コス
トはブローファイバ技術および低コストのポリエチレン
を使用して最小限にできる。

同期TDMAシステムは正確なクロックの獲得に依存し、
それに対して全ての他のクロックがロックされることが
できる。このクロックは理想的に８キロヘルツの倍数で
あり、それは通常の電話帯域幅信号のサンプリング速度
である。マスタークロックソースは通常トランク交換機
において発見される。このクロック信号は狭い、すなわ
ち低いデューティサイクル、パルスのシーケンスとして
全顧客に放送されることができる。選択されたシーケン
スは疑似ランダム２進シーケンスまたはネットワーク上
のトラフィックによって模擬される低い確率を有するバ
ーカーシーケンスであってもよい。

顧客ターミナルのクロックは到来シーケンスに遅延し
てロックされる。各顧客は目的地アドレスとして作用す
る同期パルスに後続する特有の周期的タイムスロットを
割当てられる。顧客ターミナルは顧客が任意の予め定め
られた暇なタイムスロット中のパルスを送信し、反射ノ
ードを介して他のターミナルと通信することを許容する
可変遅延ラインを含む。各顧客のターミナルは反射ノー
ドからの光路長に依存する異なる時間で同期パルスを受
信する。往復伝播遅延は決定され可変遅延ラインメモリ
に記憶された値から減算されなければならないので、正
確な目的地タイムスロットがアクセスされる。分配スイ
ッチネットワークのような透明のネットワークにおい
て、顧客ターミナルはまた全顧客をトランク交換機と関
連する顧客にロックするために送信されたノードにおけ
る低いデューティサイクルの基準パルスと異なる距離に
ある。したがって、アドレスされた顧客に特定なタイム
スロットと一致するために分配ノードに達するときに別
の顧客に対して伝送されたメッセージの遅延を説明する
必要がある。

したがって、１人の顧客が伝送する時間は顧客アドレ
スに対する往復を考慮しなければならない。

この各ターミナルの困難を克服するために、反射ノー
ドからの距離に特定な遅延時間メモリを設けられてい
る。これは特定の顧客に対してアクセスされ、適切な調
節は反射ノードにおけるタイムスロットと合致するため
に伝送されたメッセージに役立つ。

往復遅延は顧客の信号がネットワークに接続されると
き決定される。これを行うために、上流信号は他のユー
ザとの干渉を最小にする方法で伝送される。例えば、疑
似ランダム２進シーケンスは低い振幅で伝送されるの
で、ネットワーク上の他の受信機の雑音しきい値よりも
低い。相関検出器は往復遅延を決定するために使用され
る。この技術による主な複雑さは顧客トランシーバが正
確な相関を行うためにシーケンスの十分な回復の範囲の
とき送信から受信に急速に切替えることを必要とされる
ことである。

別の方法は8.08キロヘルツのような厳密に必要である
よりは僅かに高いシステムクロック速度で動作すること
である。124マイクロ秒の100番目ごとの同期フレームは
範囲に対して冗長および空白を残すものとして構成され
る。この方法で追加して必要なことは付加的なタイミン
グおよびメモリ回路が８キロヘルツ基準データ速度を再
生するために各ターミナルに必要とされることである。

さらに別の方法はネットワーク上のトラフィックが低
いときにある期間にレンジパルスを送信する方法であ
り、顧客によって検出されたエラービツトの数は設定さ
れた限界内、例えば100,000中の１ビツトである。

詳細な呼び処理過程が呼びを正確に送受信するために
必要である。本質的な特徴は次のとおりである。： 入力トランク呼びは予め定められた時間、例えば250
マイクロ秒にわたって空いていることが発見された場合
にのみローカル交換機によって目的地ターミナルのタイ
ムスロットに切替えられる。

いくつかのタイムスロットがローカル交換機のトラン
ク呼びサーバーに割当てられる。外部の呼びは空いてい
るトランクのタイムスロットをアクセスすることによっ
て行われる。

内部の呼びは呼出されるターミナルのアドレスに対応
するタイムスロットをアクセスすることによって行われ
る。

共通チャンネル信号過程はチャンネル当り64キロビッ
ト／秒の追加の８キロビツト／秒のデータチャンネルを
有するようにネットワークを設計することによって構成
される。私設交換機（PBX）中で必要な特別の特徴の多
くはこの追加の通信チャンネルを介して各ターミナル中
のソフトウエアを使用して構成される。

アドレスメモリは各ターミナルが追加されるとき更新
される各ターミナルにおいて必要とされる。

ネットワークの大きさは使用される反射ノードの形式
および顧客のトランシーバの光パワー容量により制限さ
れる。送信機は分割比にほぼ等しいデューティサイクル
で動作し、通常の連続定格よりも高いピークパワーで動
作する。これはネットワークを通過する信号の損失を補
償し、トランク交換機および顧客から受信したパワーレ
ベルがほぼ等しいことを保証する。最初にネットワーク
は十分に利用される必要はなく、十分なパワー分割器が
成長を可能にするために必要とされる。

受信機の感度はビツト速度および対応する分割比に反
比例する。もしも分割比が２倍にされるならば往復損失
は４倍にされ、受信機の感度は1/2になる。これは光増
幅器の利得の増加等の特別の手段が採用されなければあ
る分割比を越えてネットワークを拡張することは厳しい
制限を与えられる。

分割比を増加させる他の方法は代りの星形形態および
呼び集中の使用を含む。

第６図を参照すると、反射ノードの数はさらに複雑な
マトリックスを形成するためにさらに２×２のカプラが
追加されるならば増加されることができる。これは追加
されたノードの数だけ反射パワーを増加させる。しかし
ながらその方法は後述するように非常に高いビツト速度
およびコヒーレントなシステムにおいて信号を劣化させ
る多重路を導入する。第６図のマトリックスは第２図の
ものに類似した４個の交差接続された２×２カプラ43で
構成される４×４反射カプラである。結合された増幅器
兼フィルタ42は各反射レグ（leg）44に接続される。

ネットワーク自身のトランクの使用は呼びの集中を可
能にする。タイムスロットは要求に基づいて顧客に割当
てられる。全てのユーザーに共通の分離した信号タイム
スロットが必要とされる。この技術は複雑性を増加させ
るが、利用可能な帯域幅をさらに有効に利用できる。集
中の量は外部対内部のトラフィック比および許容される
サービスの程度に依存する。

任意の顧客に利用可能な公称ビツト速度はその顧客の
タイムスロットの繰返し率によって決定される。しかし
ながらローカルネットワークは各タイムスロットにおい
て単一ビツトより多くの情報を伝送することができる。
内部呼出しが行われたとき、追加のビツトまたはパルス
振幅変調（PAM）信号がそのタイムスロットの期間中に
追加され、目的地ターミナルはより広い帯域幅の信号を
受信することができる。

反射性の星形ネットワークはまたローカル区域の相互
作用広帯域サービスを行うためにコヒーレント技術を使
用して向上されることができる。周波数分割多重（FD
M）アクセス制御プロトコールが設定され、それはTDMに
対するのと類似した特徴を有する。周波数帯域はタイム
スロットに対するのと類似した方法で受信ターミナルに
割当てられる。ネットワークはもはや同期は要求されな
いが、光基準波長を必要とする。それはただ１度ネット
ワークを通過するだけであるから、ヘテロダインシステ
ムにおれる局部発振器として使用されることができる。
事実光分配スイッチシステムは、ネットワークが全ての
ターミナルに対してただ１つの局部発振器（LO）ソース
を備えるようにすることができるので、特にヘテロダイ
ンターミナルに適用可能である。この局部発振器はコヒ
ーレントソースとしてトランク交換機スイッチに配置さ
れると有効である。顧客ターミナルはヘテロダインシス
テムターミナルの中間周波数帯域を介してチャンネルに
アクセスする。顧客ターミナルＢにアクセスするための
送信顧客ターミナルＡのために、ターミナルＡは選択さ
れた光周波数で送信しなければならず、それはターミナ
ルＢでLO周波数と混合されたとき両者の差としてアクセ
ス中間周波数をターミナルＢに与える。実際上、ターミ
ナルのコストを低くするために中間周波数はネットワー
クの光周波数に比較して可成り低いことが望ましく、す
なわち無線周波数またはそれより低い周波数であること
が望ましい。

選択された周波数に顧客のレーザをロックする１つの
方法が第７図に示されている。コヒーレントな顧客の端
末は、端末カプラ51を通してネットワークに接続された
受信機50によって検出された入来する局部発振器周波数
を基準とする周波数制御ループ48を有する可同調のコヒ
ーレントなソース46を含む。このソースは光スイッチ52
を介したネットワーク中での伝送の前に選択された周波
数に局部的に同調される。基準局部発振器は局部中間周
波数（IF）可同調回路をロックするためにネットワーク
上で受信される。光スイッチ52はターミナルカプラ51を
通ってネットワークへ伝送を行なわせるようにスイッチ
される。

TDMAおよびFDMAの変形として、コード分割多重アクセ
ス（CDMA）が他のターミナルにより各ターミナルに選択
的にアクセスすることを可能にするように使用される。
この場合に各ターミナルはコード相関器を有し、それは
コードがメッセージの開始点において他のターミナルか
ら受信されたときそのターミナルにアクセスすることを
可能にする。これはタイムスロットを必要としないとい
うTDMAに勝る利点を有する。事実透明な分配スイッチ回
路網は、特定の回路網通路を通る付加的なスイッチング
を必要とすることなしに正確なコードですべての顧客に
アクセスすることを可能にするので、CDMAによく適合す
る。

上述のカプラは２個の光ファイバを有し、その１つは
光再伝送手段22と信号調整手段24とを備えているが、本
発明は３個以上の光ファイバを備え、その１つが上述の
ように光再伝送手段と信号調整手段とを備え、さらに少
なくとも１つの別の光ファイバがそれぞれ信号調整手段
を備え、または備えずに光再伝送手段を備えている構成
も本発明の技術的範囲に含まれるべきものである。

フロントページの続き (72)発明者 フォークナー、デイビッド・ウインフォ ード イギリス国、アイピー５・７エスユー、 サフォーク、イプスウイッチ、マートレ スハム・ヒース、ウエストランド １ (72)発明者 スミス、フィリップ・ジョン イギリス国、アイピー５・７ユービー、 サフォーク、イプスウイッチ、マートレ スハム・ヒース、ヒースフィールド 74 (56)参考文献 特開 昭64−44903（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−11916（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−152825（ＪＰ，Ａ) 米国特許4712859（ＵＳ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１のパワー分割器と、 前記第１のパワー分割器の第１のポートに接続されたポ
   ートを有する第２のパワー分割器と、 前記第１のパワー分割器の第２のポートに接続されたポ
   ートを有する第３のパワー分割器と、 前記第１のパワー分割器の第３のポートに接続されたト
   ランク交換機と、 前記第１のパワー分割器の第４のポートに接続された光
   増幅器を有する反射手段とを具備する２方向性光ネット
   ワークシステム。
2. 【請求項２】前記反射手段は、前記第１のパワー分割器
   の前記第４のポートに光信号を反射して戻すように接続
   されたミラーと、前記第４のポートと前記ミラーとの間
   に設置された光増幅器の形態をとる請求項１記載の２方
   向光ネットワークシステム。
3. 【請求項３】前記反射手段は、前記第１のパワー分割器
   の前記第４のポートに接続された両端を持つループ状の
   ファイバ増幅器の形態をとる請求項１記載の２方向光ネ
   ットワークシステム。