JP3522044B2 - 光伝送システム - Google Patents
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Description
光伝送システムに関する。
量化や長スパン化を目指し開発が行われている。大容量
化のためにはビットレートの増大や波長多重方式が検討
されている。また、長スパン化は光アンプの導入によっ
て達成しうる。光アンプは、送信電力の高出力化のため
のポストアンプとして、受信電力の高感度化のためのプ
リアンプとして、或いは中継器のためのインラインアン
プとして、製品レベルの開発が行われている。この光ア
ンプの導入により、ファイバの入口と出口のレベル差が
拡大され、許容できるファイバのロスは拡大した。
バへの光入力レベルが高くなり、その結果、非線形効果
という新たな問題がでてきた。そのひとつは、光ファイ
バ伝送において、ファイバへの光入力レベルが大きい場
合、光カー効果(屈折率が光強度に依存して変化する)
に基づく自己位相変調(Self Phase Mod
ulation:SPM)により、信号光パルスの立ち
上がり及び立ち下がり部分において周波数(波長)シフ
トが生じる問題である。この場合、たとえ伝送前の信号
光波長幅が狭くても、伝送中に波長幅の広がりが生じ、
同時に伝送路分散の影響で受信波形の変化が大きくな
る。つまり、この様な影響を考慮し、送信光電力の上限
値がきまる。
の波長に依存する(これをファイバの波長分散と呼
ぶ。)ため、ある波長幅を有する光パルスは、ファイバ
伝送後にパルス幅が増大または圧縮される性質がある。
従って、光伝送システムにおけるファイバ伝送後の受信
波形は、この波長分散によって変化することになり、そ
の程度によっては伝送エラーを生じることになる。その
ため、波長分散による伝送距離への制限がでてくる。
で、ファイバ波長分散による伝送劣化を回避してきた
が、10Gb/sまでにビットレートが増大すると上記の
ファイバの非線形効果のため、波長幅の狭い光源を選択
するだけでは伝送劣化を回避できない状況にある。そこ
で、波長幅の狭い光源を選択するだけでなく、更に送信
機のプリチャープを用い伝送特性の補償を行うことが提
案されている。送信機のプリチャープとは送信機におい
て光パルスにチャープを生じさせることをいい、付与さ
れるチャープには出力パルスの立ち上がりにおいては長
波長側に、立ち下がりにおいては短波長側に波長シフト
を生じるブルーチャープ、または、出力パルスの立ち上
がりにおいては短波長側に、立ち下がりにおいては長波
長側に波長シフトを生じるレッドチャープとがあり、伝
送路として主に使用するファイバによって選択する。特
開平4−140712号公報には、ファイバが信号光に
対して正の波長分散を有するときはブルーチャープ(チ
ャーピングパラメータαが負)を与え、負の波長分散を
有するときはレッドチャープ(チャーピングパラメータ
αが正)を与えれば伝送特性が改善されることが記載さ
れている。これは、正の波長分散とブルーチャープの組
み合わせ又は負の波長分散とレッドチャープの組み合わ
せにおいて、光パルスの立ち上がり部分よりも立ち下が
り部分の方がファイバ内を速く進むので光パルスを圧縮
する効果がもたらされるためである。この場合、ファイ
バの分散値はその長さに比例するので、伝送路全体の分
散値を送信機のプリチャープ量に見合った値にするた
め、ファイバに直列に分散補償器が挿入される。
設されているシングルモードファイバ(SMF)の零分
散波長は1.3μm帯にある。その理由は、均一なクラ
ッドとコアからなる比較的簡単な構造のファイバでは零
分散波長を1.3μmにするのが限界であり、それ以上
は構造が複雑で高価な分散シフトファイバ(DSF)で
しか実現できないためと、過去において、信号光波長と
してファイバの損失が少ないと考えられていた1.3μ
m帯が使用されてきたためである。しかしながら、光ア
ンプを導入して長スパン化をめざすためには、光アンプ
としてのエルビウムドープファイバの利得帯域である
1.5μm帯の信号光を使用する必要があり、その方が
ファイバの損失も一層小さくなる。1.5μm帯の信号
光を1.3μm帯に零分散波長があるSMFで伝送する
と分散は正となる。従って従来では、送信機において信
号光にブルーチャープ(チャーピングパラメータαは
負)を与え、ファイバの正の分散との組み合わせで伝送
特性を改善することが検討されてきた。
に、前述のSPMを考慮して計算機シミュレーションを
実行すると、チャーピングパラメータαが負であると、
所要の伝送特性を満足する分散補償量の範囲が狭いの
で、ファイバ長に応じて用意すべき高価な分散補償器の
種類が多数になるという問題がある。
的は、所要の伝送特性を満足させるためにファイバ長に
応じて用意する必要のある分散補償器の種類が少ない光
伝送システムを提案することにある。本発明によれば、
送信側と受信側の間に設けられた光ファイバであって、
送信側から受信側へ伝送すべき光信号の波長に対して正
の分散値を有する光ファイバと、送信側及び受信側の少
なくともいづれか一方において該光ファイバに直列に接
続され、伝送すべき光信号の波長に対して負の分散値を
有する分散補償器と、送信側において光信号に正のチャ
ープを与えるチャープ付与手段とを具備する光伝送シス
テムが提供される。
に入れた計算機シミュレーションによれば、送信機のプ
リチャープのパラメータαが正であれば、所望の伝送特
性を満足する分散補償量の範囲がチャープが負のときよ
りも広くなるので、少ない種類の分散補償器でファイバ
長の変化を広くカバーすることができる。この理由は、
SPMによる位相変調はチャーピングパラメータαが負
のチャーピングに相当するため、送信機のチャーピング
パラメータαが正であればSPMの影響が緩和され、伝
送特性が全体として改善されるためであると考えられ
る。
パラメータは、一般的に波形の立ち上がり及び立ち下が
りの各部で変化する。ここでは、光出力波形の立ち上が
り或いは立ち下がりの半値の時点における値を代表とし
て用い、定義することとする。
の分散値が正であるときに送信機のチャーピングパラメ
ータαを負とする従来の光伝送システムについて説明す
る。図1において、送信機10と受信機12の間に1.
3μm帯に零分散波長のあるシングルモードファイバ
(SMF)14が設けられている。送信機10は電気信
号を光信号に変換するための光変調器16と光変調器1
6の出力を光レベルで増幅してSMF14へ送出するポ
ストアンプ18を含んでいる。送信機10の光変調器1
6におけるチャーピングパラメータαは負で、例えば−
1である。チャーピングパラメータαは次式で定義され
る。
2はSMF14から出力される光信号を光レベルで増幅
するプリアンプ20と、伝送路全体の分散値をα=−1
に見合った値にするために分散値を補償するための分散
補償器22と、光信号を電気信号に変換する光検知器2
4とを含んでいる。光信号の波長は光増幅器18,20
の利得帯域内の1.5μm帯にある。したがって、SM
F14の分散値は正である。分散補償器22としては、
SMF14の長さに応じて全体の分散値が一定になるよ
うに適切な分散値を有するものが選択される。
特性(振幅の減衰量が1dB以下;位相マージン70%以
上)を満足しうる受信側の分散補償量の範囲を示す図で
ある。図2及び後述の図4はファイバのSPM効果を考
慮に入れた計算機シミュレーションの結果である。図2
によれば、50km以上130km以下の伝送距離をカバー
するためには、図中点線で示すように、4種類の分散補
償器を用意しなければならないことがわかる。
ック図である。本発明においては、SMF14の分散値
が図1の場合と同様に正であるにもかかわらず、送信機
のチャーピングパラメータαは正の値、好ましくは2以
下の正の値、さらに好ましくは+1に設定される。従っ
て必要な分散補償量は図1の場合よりも大きくなる。分
散補償器22の補償量を大きくすると、その損失も大き
くなり、光検出器24の光入力パワーが低下し受信感度
が劣化する。光検出器24の入力パワーを上げるために
プリアンプ20の増幅度を上げて分散補償器22の入力
光パワーを上げると、分散補償器22におけるSPMの
ため波形が劣化する。そこで、図3に示す光伝送システ
ムでは、送信側にも分散補償器26をポストアンプ18
の前段に設けることによりこの問題を解決している。こ
の場合に、送信側の分散補償器26の分散値は固定と
し、SMF14の長さに応じた分散補償量の選定は、受
信側の分散補償器22において行なうことが好ましい。
を+1とし、送信側に分散量−400ps/nmの分散補償
器を設けたときの、各伝送距離における所望の伝送特性
を満足しうる受信側の分散補償量の範囲を示す図であ
る。図で明らかなように、送信側のチャーピングパラメ
ータαを+1とすることにより、ファイバにおけるSP
Mの影響が緩和され、伝送特性が全体として改善される
ために許容分散量の範囲が拡がる。
の分散補償器を用意するだけで広い範囲をカバーするこ
とができる。また、伝送距離50km以下では受信側の分
散補償器22を省略することも可能である。分散補償器
22,26としては分散補償ファイバ(DCF)、ファ
イバグレーティング型分散等化器、導波路型分散等化
器、又は共振器型分散等化器等が使用可能である。DC
Fは通常のSMFよりコア径を小さくし、かつ、クラッ
ドとの比屈折率差を大きくすることにより、零分散波長
を長波長側にシフトさせ、信号光波長帯(1.5μm
帯)で負の分散を得るようにしたものである。
器の原理を示す図である。ファイバ30中にグレーティ
ング(周期的な屈折率変化)32を与え、その周期を次
第に変えておく、これに光を入射すると波長に応じて異
なった位置で光が反射して戻ってくる。即ち、波長に応
じ、異なった遅延時間を与えられた光が戻ってくるの
で、これをサーキュレータ34によりとり出し、分散等
化する。ファイバグレーティングに対する入力方向を反
対にすれば逆符号の分散特性が得られる。
である。例えばSi基板上に石英(SiO2 )にて導波
路36を形成し、上部導波路38と下部導波路40で位
相が異なる様位相シフタ42を設ける。入力光信号は、
位相シフタ42による位相調整により、例えば長波長側
の成分は主に下側を伝搬し、短波長側の成分は上側を伝
搬する。この様な導波路を複数回伝搬させることによ
り、負の分散特性を得ることができる。位相調整によ
り、逆符号の分散特性を得ることもできる、位相シフタ
42としては薄膜ヒータが用いられている。
である。全反射ミラー44と半透過型ミラー46とを対
向させ、半透過型ミラー46の側から光を入射すると、
両ミラーの間隔に応じたある波長の光のみがミラー間で
多重反射し、共振状態となる。この共振波長の近傍で
は、周波数に比例するある回数の多重反射をくり返した
光が再び戻ってくる様になる。これをサーキュレータに
よりとり出すことで、周波数(波長)に応じて異なる遅
延時間を与え、分散等化する。共振周波数より高い領域
または低い領域のいずれを使用するかで逆向きの分散特
性が得られる。
ャーピングパラメータαの値をいかにすべきかについて
説明する。図8に、送信パワー+14dBm における、伝
送可能距離 対 送信分散補償量のグラフを示す。左半
分は、受信側分散補償なしの場合、右半分は受信側で−
1200ps/nmの分散補償を行った場合のグラフであ
る。右半分は、受信側分散補償−1200ps/nmの条件
下で直接的に分散補償のトレランスを示すものであり、
それを最も広くするαパラメータの値を求めることによ
り、αパラメータの最適値が得られる。しかし、αパラ
メータの最適設定は、左半分のグラフから、より一般的
に求めることができると考えられるので以下にその理由
を示す。
が、概ね50km程度までで収束する(これはファイバ内
の光パワーが小さくなるため、50km以上の領域では非
線形効果の発生度合いは小さくなることによる)。従っ
て、50km以上の領域では、光スペクトラムはもはや変
化せず、ファイバ分散の影響はリニアとなる。すなわ
ち、50km以上の領域の伝送路で与えられる分散量に対
し、それと絶対値の等しい逆符号の分散量で受信側分散
補償を行えば、波形は50km地点での波形に戻ることに
なる。このとき50km地点での波形が良好であれば、受
信可能になると言える。
見たとき、50kmを超え伝送可能距離ができるだけ長い
方が、上記の受信側分散補償を行った場合の補償許容誤
差(トレランス)は緩いものと考えられる。従って、図
8の左半分のグラフにおいて、できるだけ許容領域が広
く長い方が、より長距離の伝送システムにおいて受信側
分散補償を行う場合に補償トレランスが広くとれること
になる。実際に、左半分のグラフにおけるαパラメータ
の最適値は+0.5付近であるが、これは右半分のグラ
フの最適値と一致している。
5付近が最も良いと推定されるが、これは送信出力を+
14dBm とした場合の値であって、送信出力を変化させ
るとαパラメータの最適値もシフトすると考えられる。
光アンプにより得られる送信出力としては、現状+11
〜+20dBm 程度が想定されるため、+14dBm に対し
て−4dB〜+6dB程度変化する。ここで光源の周波数シ
フト量はαパラメータに比例し、また伝送路ファイバの
SPMによる周波数シフト量は、伝送距離を一定とした
場合、送信出力に比例するため、両者が補償関係にある
時、αパラメータの最適値は、送信出力の変化分に比例
して変化するものと考えられる。これより、αパラメー
タの最適値も、+0.5に対して−4dB〜+6dB、即
ち、0.2≦α≦2.0の範囲で変化することが予想さ
れる。
限値は2である。下限値については、光アンプを使用せ
ず、送信出力が低い場合も考慮すると、0が適切であ
る。したがって、図3のシステムでは送信機のチャーピ
ングパラメータαが+1に固定されているが、αを可変
とし、0<α<2の範囲で調節することが好ましい。周
知の如くチャーピングパラメータαについては、光変調
器16としてMI外部変調器又はマッハツェンダ型変調
器を用いた場合、その駆動電圧を変えることによりαを
変えることができる。
送ファイバの分散値が正のときに送信側のチャーピング
パラメータを正の値にすることにより、分散補償量の許
容範囲を広くすることができる。
すグラフである。
すグラフである。
示す図である。
送信分散補償量のグラフである。
Claims (9)
- 【請求項1】 送信側と受信側の間に設けられた光ファ
イバであって、送信側から受信側へ伝送すべき光信号の
波長に対して正の分散値を有する光ファイバと、 送信側及び受信側の少なくともいづれか一方において該
光ファイバに直列に接続され、伝送すべき光信号の波長
に対して負の分散値を有する分散補償器と、 送信側において光信号に正のチャープを与えるチャープ
付与手段とを具備する光伝送システム。 - 【請求項2】 前記チャープ付与手段におけるチャーピ
ングパラメータαは2以下である請求項1記載のシステ
ム。 - 【請求項3】 前記チャーピングパラメータαはほぼ1
である請求項2記載のシステム。 - 【請求項4】 前記チャーピングパラメータは前記光フ
ァイバの長さに応じて変更可能である請求項2記載のシ
ステム。 - 【請求項5】 前記分散補償器は、送信側に固定的に接
続された送信側分散補償器と、前記光ファイバの長さに
応じて複数の異なる分散値を有する分散補償器の中から
選ばれて受信側に接続された受信側分散補償器を含む請
求項1記載のシステム。 - 【請求項6】 前記分散補償器は分散補償ファイバであ
る請求項1記載のシステム。 - 【請求項7】 前記分散補償器はファイバグレーティン
グ型分散等化器である請求項1記載のシステム。 - 【請求項8】 前記分散補償器は導波路型分散等化器で
ある請求項1記載のシステム。 - 【請求項9】 前記分散補償器は共振器型分散等化器で
ある請求項1記載のシステム。
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